龍門加工中心整機動靜態(tài)分析及結構優(yōu)化

楊海栗, 田建平, 胡勇, 付磊, 黃丹平

(四川理工學院機械工程學院, 四川自貢643000)

龍門加工中心整機動靜態(tài)分析及結構優(yōu)化

楊海栗, 田建平, 胡勇, 付磊, 黃丹平

(四川理工學院機械工程學院, 四川自貢643000)

以SolidWorks三維建模軟件與ANSYS Workbench有限元分析軟件為平臺，建立龍門加工中心整機動靜態(tài)分析模型，由分析得到整機在只受重力、以及重力與切削力同時作用這兩種工況下的位移量數(shù)據(jù)及其相對變化量，得出整機的結構剛性及固有頻率值，并綜合分析結果提出滑枕及橫梁的結構優(yōu)化方案，通過結構改進減小整機變形量，提高整機加工精度，為加工時的誤差補償提供了理論依據(jù)。

龍門加工中心;整機;靜力特性;動力特性;結構優(yōu)化

引言

龍門加工中心已成為加工制造行業(yè)的重要工藝加工設備之一[1]。鑒于廣泛的市場需求，國內外主要機床生產商也開始研發(fā)各種高速、高精度的龍門加工中心[2]。龍門加工中心整體結構復雜，由多個大型零部件組裝而成，只針對部件進行研究無法切實得出整機的加工精度值，因此有必要對整機進行動、靜態(tài)特性分析。

目前，針對龍門加工中心已有許多學者對其開展研究。丁長春[3]等對龍門加工中的立柱結構進行靜力學分析，并最終完成結構優(yōu)化。王芳[4]等針對龍門式鏜銑床橫梁，結合有限元法對其筋板結構等進行了優(yōu)化設計。張飛[5]等對大型龍門銑床的滑枕結構進行了模態(tài)分析，并采用ODS測試法進行試驗，通過結果比對，找到其結構薄弱環(huán)節(jié)。劉興業(yè)[6]等針對龍門加工中心的絲杠傳動系統(tǒng)，通過加載移動熱源的方法，研究絲杠溫度場及熱變形情況。

本文結合四川某機床公司的某型號龍門加工中心，針對其整機加工的實際情況(切削力，機體自重等)，通過SolidWorks和ANSYS軟件建立相應的實體模型，并在靜力學、模態(tài)分析方面加以研究，獲取其結構強度、剛度及整機可靠性，并針對薄弱環(huán)節(jié)進行結構優(yōu)化，從而提高整機加工精度，并為加工時的誤差補償提供必要的理論依據(jù)。

1 整機實體建模

本文采用SolidWorks 進行龍門加工中心各零部件的三維建模。其零部件結構較為復雜，且由于加工、安裝、定位等工藝需要，其結構存在工藝孔、過渡圓角、小凸臺等細小特征。這些結構特征尺寸較小，如果進行精確建模，將會導致網(wǎng)格劃分時單元尺寸過小且數(shù)目過多，需耗費大量時間進行計算，但對整體的分析結果影響甚小，建模時需對這些特征進行簡化或加以忽略。整機模型如圖1所示。

模型建立完成后，運用ANSYS Workbench與SolidWorks的無縫連接直接導入ANSYS軟件中，該方法很好地避免了復雜零件結構細節(jié)數(shù)據(jù)的丟失，保證了零件結構的完整性[7-8]。

圖1 龍門加工中心簡化模型

2 有限元模型建立

靜力學分析中，網(wǎng)格劃分采用ANSYS Workbench 三維實體單元Solid186，該單元為三維6面體20節(jié)點的結構單元。由于整機結構復雜，故采用自適應網(wǎng)格劃分，并在易出現(xiàn)應力集中的部位(如：滑枕表面、十字滑座、橫梁表面、導軌、滑塊、絲杠及螺母)進行局部網(wǎng)格細化。整機靜力分析有限元網(wǎng)格劃分情況如圖2所示，其單元總數(shù)為1 595 414個。

圖2 整機靜力分析有限元網(wǎng)格模型

模態(tài)分析中，采用Solid187，該單元為三維4面體10節(jié)點的結構單元，網(wǎng)格劃分方式與前靜力學分析的方法類似，其單元總個數(shù)為1 626 091個。

龍門加工中心整機的鑄造零部件均采用HT300，刀具材料為高速鋼，導軌、滑塊等連接件采用結構鋼。各材料屬性見表1。

表1 材料屬性

3 龍門整機靜力分析

靜剛度是金屬切削機床中最重要的性能指標之一[9]，本文根據(jù)龍門加工中心在實際工作中的受力情況，考慮其自重、垂直于切削速度方向上的切削力分量及滑枕和十字滑座等在不同工位對整機形變的影響，針對滑枕處于最下端、十字滑座處于橫梁中部、橫梁處于縱梁尾部這一最惡劣的工況進行分析研究。分析時將只受重力及同時受重力和切削力這兩種情況進行對比分析。

根據(jù)實際安裝情況，分析時將整機底部進行全約束，并針對不同情況施加重力及x、y、z三向切削力，該力為機床主軸在3000 rmp下進行切削時所受切削力，各向均為1600 N。其分析結果對比見表2，圖3給出了整機受x向切削力作用下的應力情況。

表2 整機同時受重力及切削力情況下的分析結果

圖3 整機受x向切削力時的應力結果

結合表2及圖3可以發(fā)現(xiàn)，最大應力值出現(xiàn)在十字滑座與橫梁連接處，其值為12.92 MPa，此時刀具受x向切削力。由此可見該加工中心x向靜剛度相對較弱。在該情況下各向位移量也為最大，刀尖處總位移量達0.163 mm，這是由于刀具部位受該向載荷時橫梁產生了較大扭曲變形，并且由結構間的傳遞至刀具部位時被放大所致。

4 龍門整機模態(tài)分析

龍門加工中心的靜態(tài)特性在一定程度上反應了其靜剛度，并能由此判斷機床的抗變形能力。為保證加工中心具有很好的加工精度和加工效率，還要求整機結構具有良好的動態(tài)特性，而機械結構前幾階模態(tài)是機床振動性能的關鍵[10]，本文通過ANSYS Workbench計算前六階整機固有頻率。前兩階固有頻率值如圖4所示，總體前六階固有頻率及振型見表3。

圖4 一、二階模態(tài)

表3 前6階模態(tài)分析數(shù)值

由表3可知，該龍門加工中心的前兩階固有頻率偏低，只有30.177 Hz和32.515 Hz，動態(tài)特性較差。4、5、6階有密頻現(xiàn)象。

結合前面靜力分析的結果可知：橫梁、滑枕是其較為薄弱環(huán)節(jié)。這是由于該加工中心橫梁x向的剛度低以及滑枕長度過長，造成整機低階固有頻率偏低及總位移量較大。

5 橫梁及立柱的結構優(yōu)化

通過前文分析可知，設計中應適當提高橫梁的抗扭剛度，并同時調整滑枕至合理長度，最終減小重力及切削力作用下的機床變形。這是該加工中心提高其動、靜態(tài)性能的關鍵。

(1) 橫梁結構改進

根據(jù)整機靜力分析可知，十字滑座位于橫梁中部時，其應力變化情況左右對稱且應力較大處位于橫梁兩側靠近支撐處。因此，改進方案為：在應力較為集中處進行縱向加筋，并調整前端橫梁橫向筋板密度以改善其中部的彎曲現(xiàn)象。筋板結構調整前后情況，如圖5所示。

圖5 橫梁筋板結構調整前后對比圖

(a) 改進前橫梁筋板布置;(b) 改進后橫梁筋板布置

(2) 滑枕結構改進

由分析結果發(fā)現(xiàn)，滑枕的靜強度與動態(tài)性能都較好，但根據(jù)加工中心整體結構，可發(fā)現(xiàn)其存在結構過長的現(xiàn)象，這一設計既增加了自身質量，縮短了行程，又加劇了刀尖變形趨勢?；斫Y構改進前后對比如圖6所示。修改前后行程增加290 mm，質量減輕126 kg。

圖6 滑枕結構調整前后對比圖

結構改進前后，整機靜力及模態(tài)分析結構見表4與表5。從靜力分析結果比較中可以發(fā)現(xiàn)：橫梁及滑枕結構的改善不僅使質量有微弱減輕，同時其刀尖位移變形量也減小了19.6%，這說明對于提高該龍門加工中心的加工精度及工作性能是行之有效的。

模態(tài)分析結果中，新整機前五階固有頻率與改進前整機數(shù)值相比，都有了小幅提高，這說明通過對滑枕和橫梁結構改進，整機的動態(tài)性能有所提高。

表4 整機機構改進前后靜力結果分析

表5 整機機構改進前后模態(tài)結果分析

6 結論

本文針對某型號龍門加工中心，對其整機進行了動、靜態(tài)特性分析，并根據(jù)分析結果對橫梁及滑枕結構進行了優(yōu)化設計，通過優(yōu)化前后分析數(shù)據(jù)對比，可得出以下結論：

(1)通過橫梁受力情況改善其內部筋板布置，同時合理滑枕結構，不僅微量減輕了整機質量，而且顯著減小了刀尖位移變形量，其結果數(shù)據(jù)有助于提高整機加工精度及穩(wěn)定性。

(2)改進后整機低階固有頻率都小幅提高，整機動態(tài)性能得到改善。

[1] 關英俊,母德強,趙 揚,等.GMCU2060龍門加工中心橫梁結構有限元分析[J].機床與液壓,2011,39(11):131-134.

[2] 劉士玉,徐樹洛.五軸聯(lián)動龍門加工中心現(xiàn)狀與發(fā)展探討[J].世界制造技術與裝備市場,2008(6):84-87.

[3] 丁長春,殷國富,方 輝,等.龍門加工中心立柱靜力學分析與結構優(yōu)化設計方法[J].機械設計與制造,2011(3):3-4.

[4] 王 芳,曾晨光,曾晨輝,等.TOM—SP3208B大型數(shù)控龍門銑床橫梁的設計分析與制造[J].組合機床與自動化加工技術,2011(12):105-108.

[5] 張 飛,王 民,昝 濤,等.大型龍門銑床關鍵件的模態(tài)分析[J].機械設計與制造,2010(12):170-171.

[6] 劉興業(yè),殷國富,劉立新,等.龍門加工中心滾珠絲杠傳動系統(tǒng)的溫度場和熱變形分析[J].組合機床與自動化加工技術,2011(4):1-5.

[7] 劉曉東.SolidWorks與ANSYS之間的數(shù)據(jù)交換方法研究[J].煤礦機械,2012(9):248-250.

[8] 付 磊,付麗婭,唐克倫,等.基于FLUENT的管殼式換熱器殼程流場數(shù)值模擬研究[J].四川理工學院學報:自然科學版,2012,25(3):17-21.

[9] 張 華,李育文,王立平,等.龍門式混聯(lián)機床的靜剛度分析[J].清華大學學報:自然科學版,2004,44(2):183-185.

[10] 尹玉珍,蔣素清.立式銑削加工中心立柱結構的拓撲優(yōu)化[J].中國制造業(yè)信息化,2008,37(19):34-36.

The Static, Dynamic Analysis and Structure Optimization of Whole Machine in Gantry Type Machining Center

YANGHaili,TIANJianping,HUYong,FULei,HUANGDanping

(School of Mechanical Engineering, Sichuan University of Science & Engineering, Zigong 643000, China)

Using SolidWorks 3D modeling software and ANSYS Workbench finite element analysis software as platform, the static, dynamic analysis model of whole machine in gantry type machining center is established. The displacement data and relative variation of whole machine are obtained in two conditions that only by gravity and gravity, cutting force work together, then the structural rigidity and natural frequency of the whole machine are obtained. Finally, the structure optimization program of ram and beam is proposed through the comprehensive analysis of results. Based on this, the deformation is decreased by improving structure and the machining accuracy is improved, which provide a theoretical basis for error compensation system of machining.

gantry type machining center; whole machine; static characteristic; dynamic characteristic; structure optimization

2014-05-11

人工智能四川省重點實驗室科研項目(2013RYY03);四川省教育廳重點項目(14ZA0209);自貢市科技局項目(2013J19)

楊海栗(1988-),女,四川成都人,助教,碩士,主要從事結構設計及CAE仿真分析研究,(E-mail)yhlsea324@163.com

1673-1549(2014)06-0047-04

10.11863/j.suse.2014.06.12

TP391

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