CK6163c 數(shù)控車床床身的特性分析及優(yōu)化研究

黃庭梅，劉奕，魯美成，張云峰，彭學(xué)明

（江蘇齊航數(shù)控機床有限責(zé)任公司，江蘇鎮(zhèn)江 212000）

0 引言

近年來國內(nèi)機床行業(yè)快速發(fā)展，伴隨而來的是對機床加工精度的更高要求。床身作為機床重要大件，其靜態(tài)性能、穩(wěn)定性直接影響到機床加工精度和加工質(zhì)量，但加工質(zhì)量不僅與制造精度、熱變形等有關(guān)，床身的振動也是一個重要因素。此外，在保證性能的基礎(chǔ)上，減少機床生產(chǎn)成本也是更多企業(yè)所期望的，而傳統(tǒng)數(shù)控機床床身在設(shè)計之初留存了余量，采用有限元分析更便于發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的不足以及提出優(yōu)化的參考方案。床身有限元分析通常有兩個目的：在不增加重量的前提下優(yōu)化機床性能，或者在保證性能的前提下減少機床重量。

本文以CK6163c 型數(shù)控車床為研究對象，擬采用Pro/E 三維軟件建立床身的實體模型，利用ANSYS 有限元分析軟件進行靜態(tài)分析、模態(tài)分析、拓撲優(yōu)化，得出床身固有頻率、振型云圖、偽密度云圖等，據(jù)此在保證靜態(tài)性能的基礎(chǔ)上，對床身薄弱環(huán)節(jié)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1 床身有限元模型的建立

利用Pro/E 建立床身三維模型，根據(jù)圣維南原理，在不改變模型特征基礎(chǔ)上，刪除倒圓、小的凸臺及R≤10 mm的工藝孔等對整體影響較小的局部小構(gòu)件，以避免生成壞單元或增加計算量，如圖1 所示，將該簡化后模型導(dǎo)入ANSYS 中。床身材料為HT200，設(shè)置床身材料屬性：密度為7 250 kg/m3，彈性模量為200 GPa，泊松比為0.3。床身受床頭箱、床鞍、尾座3 部分作用，底部由螺栓與基座連接固定，故約束6 個自由度，施加載荷與邊界條件如圖2。

圖1 床身三維模型

圖2 網(wǎng)格劃分及約束施加

2 床身的模態(tài)分析

床身模態(tài)分析的目標是得到床身固有頻率及振型圖以對床身自身特性做初步分析。取其前六階模態(tài)得各階固有頻率及振型圖，見表1、圖3。

由表1 知，床身前六階固有頻率偏低，靜力學(xué)性能有待提高，但由振型圖3 可知，前五階床身振型以整體振型為主，表明床身動剛度分布較均勻，第六階出現(xiàn)局部振型，一側(cè)導(dǎo)軌出現(xiàn)局部振動，故該導(dǎo)軌需要進一步優(yōu)化。

表1 床身前六階固有頻率

3 床身的拓撲優(yōu)化

床身是一種相對復(fù)雜的模型，對其進行參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計過程較為繁瑣，而采用漸進式拓撲優(yōu)化的方法操作比較簡便，能夠得到滿足要求的節(jié)省材料的優(yōu)化方案，根據(jù)拓撲分析所得偽密度云圖可修改形狀，實現(xiàn)材料的最佳分布利用。

圖3 一階～六階振型圖

拓撲優(yōu)化只對單元號為1 的單元進行優(yōu)化，床身導(dǎo)軌無須優(yōu)化，故可將其單元號設(shè)為2，即非優(yōu)化區(qū)域。設(shè)置去除率為50%，迭代次數(shù)為20 次，進行拓撲優(yōu)化。拓撲優(yōu)化會根據(jù)模型所受約束和載荷賦予模型各部分一定的偽密度值，此處設(shè)置密度范圍在0.001～1，并以9 種色彩描繪，如圖4、圖5 所示。

圖4 偽密度云圖1

圖5 偽密度云圖2

圖6 床身去除材料圖

為更直觀地觀察參考，保留床身密度在0.8～1之間的部分，去除剩余部分得到去除材料圖如圖6所示。

4 提出優(yōu)化方案及對比

根據(jù)以上分析結(jié)果，提出下列優(yōu)化方案：

4.1 優(yōu)化方案

1）床身在正常加載的情況下，其筋板和壁板為紅色承載了大部分載荷，而中間傾斜的下料板幾乎為藍色承重很小，故考慮減小下料板厚度，由18 mm 改為15 mm。

2）床身尾部在承受尾座載荷時大部分顯示為藍色，故可考慮對尾部減重。將尾部兩側(cè)壁板去除合適的方形材料。

3）在一側(cè)平導(dǎo)軌下添加筋板，起支撐作用以減小受載時的形變。

4）床身頭部下底面厚度為27 mm，其作用為放置電機，且在床身受載時顯示藍色，故去掉兩個方形材料以節(jié)省材料，但強度仍可滿足承載電機的需要。

根據(jù)以上措施修改模型如圖7、圖8。

對床身優(yōu)化前后進行靜力學(xué)分析，如圖9、圖10，并對優(yōu)化后模型進行模態(tài)分析。

優(yōu)化前后對比見表2、表3。

圖7 床身修改圖1

圖8 床身修改圖2

圖9 優(yōu)化前應(yīng)力及位移圖

圖10 優(yōu)化后應(yīng)力及位移圖

表2 優(yōu)化后床身前六階固有頻率

表3 優(yōu)化前后各性能對比

對比優(yōu)化前后結(jié)果，床身各階模態(tài)固有頻率變化很小，故床身靜剛度及振動特性無明顯變化；靜態(tài)性能較之前有所提高，表現(xiàn)在最大應(yīng)力和最大形變降低；此外床身優(yōu)化后較之優(yōu)化前質(zhì)量明顯下降接近5%。

4.2 其它建議

床身鑄件長3 840 mm，寬830 mm，750 mm，根據(jù)床身壁厚當(dāng)量尺寸計算公式：C=（2l+b+h）/3

計算得C≈3.08，查機械設(shè)計手冊可知，對應(yīng)鑄件最薄壁厚22 mm。而床身兩頭壁厚達到35 mm 仍存留余量，可考慮作為一個優(yōu)化思路。

5 結(jié)語

本文基于ANSYS 有限元分析軟件對床身進行拓撲優(yōu)化，得到偽密度云圖，將圖中藍色區(qū)域即承受載荷較小區(qū)域定為目標優(yōu)化區(qū)域，綜合考慮該區(qū)域在床身結(jié)構(gòu)中的作用，進行漸進式優(yōu)化，并對優(yōu)化前后結(jié)果進行動態(tài)分析、靜態(tài)分析，最終在保證了床身動態(tài)性能不變，靜態(tài)性能略有提高的基礎(chǔ)上將床身重量降低了約5%，節(jié)省了材料，為以后的床身優(yōu)化提供了思路。

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