橋式車銑加工中心橫梁的設(shè)計(jì)研究*

隋連香 劉麗芳 王 晶

（①沈陽理工大學(xué)，遼寧沈陽110168;②沈陽機(jī)床集團(tuán)公司，遼寧沈陽 110142）

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，普通的三軸數(shù)控機(jī)床已滿足不了人們對加工零件的更高要求［1］。面對我國對大型數(shù)控機(jī)床這一關(guān)鍵裝備的迫切需求［2］設(shè)計(jì)了該橋式五軸聯(lián)動(dòng)車銑加工中心。因車銑加工是一種新的切削加工方法，在車銑加工中心上可完成車削、銑削、鉆鏜等復(fù)雜工序加工［3］，尤其對大型回轉(zhuǎn)體的高速切削及弱剛度回轉(zhuǎn)體的精加工有其獨(dú)特的優(yōu)勢［4］。在設(shè)計(jì)過程中，對該機(jī)床的結(jié)構(gòu)和精度提出了較高的要求。作為該機(jī)床的主要移動(dòng)件—橫梁，它對提高機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性和加工精度影響很大，所以對橫梁的動(dòng)態(tài)特性和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究至關(guān)重要。本文借助ANSYS軟件對橫梁建立有限元模型，找出橫梁在不同參數(shù)下動(dòng)力學(xué)特性上的優(yōu)缺點(diǎn)，并對不同模型的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，重點(diǎn)考慮機(jī)床零部件的動(dòng)態(tài)特性對整機(jī)性能的影響，實(shí)現(xiàn)對該橫梁的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 機(jī)床簡介

本機(jī)床采用高架式橫梁移動(dòng)框架結(jié)構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三軸的高速移動(dòng)。橫梁沿床身導(dǎo)軌往復(fù)運(yùn)動(dòng)為X軸，滑鞍沿橫梁左右移動(dòng)為Y軸，滑枕沿滑鞍上下移動(dòng)為Z軸。X、Y、Z軸均由西門子交流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。在Y軸方向上采用雙橫梁的結(jié)構(gòu)形式，易于實(shí)現(xiàn)受力的平衡和受載荷的均勻。Y軸前橫梁9和Y軸后橫梁8通過導(dǎo)向鍵和螺栓固定成一體（簡稱為Y軸橫梁），該橫梁水平方向布置，并安裝在2個(gè)X軸滾動(dòng)導(dǎo)軌上面。機(jī)床總體布局見圖1。

2 構(gòu)件的動(dòng)力學(xué)模型

因采用床身橫梁移動(dòng)結(jié)構(gòu)，橫梁沿床身導(dǎo)軌往復(fù)運(yùn)動(dòng)，滑鞍沿橫梁左右移動(dòng)，滑枕沿滑鞍上下移動(dòng)。最初設(shè)計(jì)思路為:后橫梁8和前橫梁9為鑄造箱體結(jié)構(gòu)，相對一側(cè)、底側(cè)均開有消失模鑄造的工藝孔，內(nèi)部設(shè)有垂直筋板支撐，筋板上也有鑄造工藝孔;但為提高其運(yùn)動(dòng)的靈活性，確保機(jī)床的加工精度，橫梁設(shè)計(jì)采用焊接型式。橫梁長5 800 mm，寬1 850 mm，高1 700 mm。前橫梁、后橫梁外壁厚均為25 mm，筋板厚20 mm。

首先，對橫梁用SOLIDWORKS三維建模軟件建立立體模型，其次，為確保計(jì)算精度，在對模型進(jìn)行相應(yīng)的修正之后導(dǎo)入有限元軟件ANSYS，并創(chuàng)建其有限元模型。選用SOLID45單元，采用映射網(wǎng)格劃分功能將模型劃分網(wǎng)格，共劃分為15 000多個(gè)單元，30 000多個(gè)節(jié)點(diǎn)。約束條件為橫梁和與其接觸的4條導(dǎo)軌的線約束，約束其兩個(gè)自由度UY，UZ。計(jì)算其模態(tài)。第一階振型固有頻率為67.62 Hz，第二階振型固有頻率為76.23 Hz。第一階、第二階振型均表現(xiàn)為后橫梁8模態(tài)相對位移量很小，而前橫梁9表現(xiàn)為上下振動(dòng)，且模態(tài)相對位移量較大。這反映出前橫梁在銑削力作用下容易產(chǎn)生較大幅度的上下振動(dòng)，在加工過程中使銑刀頭的定位精度超差，工件的相互位置度嚴(yán)重下降。因此，必須對前橫梁9的原結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改。橫梁第一階振型見圖2。

經(jīng)分析，造成前橫梁9動(dòng)剛性不好的主要原因是其內(nèi)部的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)和布局不合理。因設(shè)計(jì)要求前后橫梁外形尺寸一致，故在前橫梁外形尺寸不變的情況下，應(yīng)對其內(nèi)部加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)和布局做相應(yīng)的調(diào)整和修改，并提出以下幾種改進(jìn)方案。下面將重點(diǎn)分析其內(nèi)部加強(qiáng)筋數(shù)目和布局的變化對其結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的影響。

3 改進(jìn)后的模型

因?qū)α慵?nèi)部加強(qiáng)筋布局的調(diào)整可以改變其動(dòng)力學(xué)特性［5］。故對前橫梁9內(nèi)部加強(qiáng)筋的布局進(jìn)行了如下調(diào)整。

改進(jìn)后，前橫梁仍采用封閉結(jié)構(gòu)。外壁使用厚30 mm的鋼板，內(nèi)部加強(qiáng)筋用厚20 mm的鋼板。為保證與其它相關(guān)聯(lián)件的有效配合，結(jié)構(gòu)不變，尺寸不變，改進(jìn)后其內(nèi)部用于支撐導(dǎo)軌的橫向垂直加強(qiáng)筋板不變，只改變縱向水平和縱向垂直兩個(gè)方向的加強(qiáng)筋數(shù)目和結(jié)構(gòu)。

改進(jìn)A型:前橫梁的所有工藝孔全部去掉，內(nèi)部橫向垂直加強(qiáng)筋鋼板厚由25 mm改為20 mm。

改進(jìn)B型:在A型的基礎(chǔ)上，在前橫梁內(nèi)部加一縱向水平鋼板，其厚度為20 mm。

改進(jìn)C型:在A型的基礎(chǔ)上，在前橫梁的內(nèi)部加一條縱向垂直鋼板，其厚度為20 mm。

改進(jìn)D型:在A型的基礎(chǔ)上，在前橫梁的內(nèi)部同時(shí)增加一條縱向垂直鋼板和一縱向水平鋼板，厚度均為20 mm。

4 動(dòng)態(tài)特性分析

由于機(jī)床結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的好壞直接影響機(jī)床的穩(wěn)定性和加工精度等技術(shù)指標(biāo)，又考慮到機(jī)床的前幾階模態(tài)特性及機(jī)床切削系統(tǒng)的工作頻帶對切削的重要影響，因此著重分析第一階模態(tài)頻率及其所對應(yīng)的振型。前橫梁9的振動(dòng)特性見表1。

用有限元方法對前橫梁上面的4種結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析。從表1中可以看出，改進(jìn)型第一階振型的固有頻率比原前橫梁均有很大提高，根據(jù)ω1=（k1/m1）1/2（式中ω1為固有頻率，k1、m1分別為對應(yīng)的模態(tài)剛度和模態(tài)質(zhì)量）可知，改進(jìn)后的前橫梁動(dòng)剛度有了顯著提高，達(dá)到了對原設(shè)計(jì)的要求。

改進(jìn)A型:前橫梁的所有工藝孔全部去掉，內(nèi)部橫向垂直加強(qiáng)筋鋼板厚由25 mm改為20 mm，前橫梁的動(dòng)剛度明顯提高。

改進(jìn)B型:在前橫梁內(nèi)部加一縱向水平20 mm厚鋼板，盡管振動(dòng)模態(tài)相對位移量比改進(jìn)A型小，但是其第一階固有頻率比起改進(jìn)A型不僅沒有提高，反而有很大下降。由此看出，盡管水平鋼板能夠改善前橫梁的模態(tài)相對位移平均量，但由于前橫梁的質(zhì)量相對增加比較大，導(dǎo)致改進(jìn)B型第一階固有頻率降低。

表1 前橫梁的振動(dòng)特性表

改進(jìn)C型:在前橫梁的內(nèi)部加一條縱向垂直20 mm厚鋼板，動(dòng)剛度高于改進(jìn)B型，并且振動(dòng)模態(tài)相對平均位移量較小。可見，僅因?yàn)榭v向筋板的水平或垂直的方向不同，卻造成其動(dòng)態(tài)特性有較大的差異。

改進(jìn)D型:是同時(shí)在前橫梁內(nèi)部增加縱向水平20 mm厚鋼板和縱向垂直20 mm厚鋼板，這時(shí)前橫梁的質(zhì)量比改進(jìn)B型和C型都大很多。從表一中可以看出，盡管改進(jìn)D型的振動(dòng)模態(tài)相對平均位移量很小，但是其動(dòng)剛度卻比改進(jìn)C型要弱。

通過上述分析和比較可知，片面的增加縱向筋板并不能顯著改善前橫梁的動(dòng)態(tài)特性，它是總體結(jié)構(gòu)綜合作用的結(jié)果。改進(jìn)C型的導(dǎo)軌振動(dòng)模態(tài)相對位移量較小，且其第一階振動(dòng)頻率較高，綜合看來，改進(jìn)C型這一方案應(yīng)是前橫梁最佳內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。也由此得到Y(jié)軸橫梁的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

5 結(jié)語

經(jīng)研究和分析，發(fā)現(xiàn)該加工中心穩(wěn)定性和加工精度等技術(shù)指標(biāo)與橫梁振動(dòng)模態(tài)相對位移量大小有關(guān)，所以應(yīng)以橫梁的振動(dòng)模態(tài)相對位移量的大小作為設(shè)計(jì)參考的主要依據(jù)，同時(shí)還要兼顧機(jī)床動(dòng)剛度的振型等特性指標(biāo)對機(jī)床主要部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。

由以上的研究分析最終得到了該橫梁的最優(yōu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，確保了該加工中心的高精度和高穩(wěn)定。

［1］張惠敏.五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)［J］.機(jī)床與液壓，2010（4）:8－10.

［2］方雄文.立式加工中心產(chǎn)品的發(fā)展趨勢［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2009（12）:47－48.

［3］邢雨，高青玉，李俠.立式車銑加工中心主軸與C軸的自動(dòng)切換控制［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2009（12）:57.

［4］賈春德，姜增輝.車銑原理［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2001.

［5］湯文成，易紅，辛研.加工中心床身結(jié)構(gòu)分析［J］.機(jī)械強(qiáng)度，1998，20（1）:11－13.