模塊化斜床身結（jié）構靜動態性能研究
2020-9-2 來源：通用技術集團大連機床有（yǒu）限責任公司 作者： 吳慧敏
摘要 : 針對新型模塊化數控車床產品，利用 ANSYS 軟件對其整（zhěng）體鑄造（zào）斜床身結構進行了（le）靜態和動態分析，並經過試驗驗證，為機床進一步的結構優化升（shēng）級與批（pī）量（liàng）生產提供（gòng）了理論試驗依據。
關鍵詞 : 模塊化; 整體式; 斜床身; 車床
隨著工業 4.0 興起，製造業（yè）不斷向智能製造方向轉變。模（mó）塊化機床是現（xiàn）代生產的一種新（xīn）型模式。模塊化係統定義為一種盡可（kě）能的通用的可替（tì）換的基本部件組合（hé）成不同形式機床品種的生產技術和組織計劃方式。針對這一理念，以廠內新型模塊化數控車床為例，通過靜動態分析模塊，分析了 40°整體式（shì）床身靜動（dòng）態性能，為（wéi）實現精益生產提供了有價值的參考。該（gāi）機床的 Pro/E 模型如圖（tú） 1 所示。床身采用整體鑄造成形，床身導軌 40°傾斜布局，有較大的承載截麵，其他模塊按照市場需求進行不同（tóng）配置，可實現高（gāo）精（jīng）密、高效率和高可靠性加工。
圖（tú） 1 模塊化機床架構（gòu）
1. 整體式斜床身有限元模型建立
床（chuáng）身作為機床承載（zǎi）載荷的基礎，其性能非（fēi）常重要。需要對其進（jìn）行靜力學分析，找出（chū）應力和變形最大的薄弱點，為衡量（liàng）機床性能（néng）提供可靠的依據。
由於過渡圓角、螺栓孔及（jí）模型中的小孔對床身的質量及剛度不會（huì）產生大的影響，完全可以保（bǎo）證足夠的計算精度，因此可以去掉這些特征。將 Pro/E 軟件建立的床（chuáng）身模型導入 ANSYS中。設置床身材料為 HT300，密度為 7 300kg/cm3，楊氏模量為 1.43×1011Pa，泊（bó）鬆比（bǐ）為 0.26。采用四麵體和掃掠網格劃分，床身節點數為（wéi） 341789 個，單元個數為 187 625。整體式（shì）斜床身有（yǒu）限元模型如圖 2 所示。
圖 2 整體式斜（xié）床身有限元模
2. 斜床身（shēn）靜力學分析
數控車床斜床身底部與地（dì）基固定，可以定義為全約束，主（zhǔ）要承載載荷見表 1。上導軌（guǐ）麵承載刀塔刀盤和滑板的共同質量，下導軌麵承載主軸（zhóu）箱和尾座的共同質量（liàng）。在工（gōng）礦下，上下（xià）導軌均承受切削力的作用。
表 1 斜床身載荷參數（shù）（質量 ：kg）
針（zhēn）對此床身 40°傾斜設計，從床身（shēn）靜態有限元分析可知，最大應力區域分布在床身背部一些筋板連接處，上（shàng）下導軌應力很小，對實際加工幾乎沒有影響，床身最大應力為 28 540N，如圖 3所（suǒ）示。
圖 3 斜床身最大應力雲圖
最大變形位置出現在上導軌中間稍微靠左的位置，這與工況下導軌受到最大的力相吻合，此處正是加工工件時刀塔的位置。由於導軌傾斜（xié）40°，上導軌外（wài）側部分承載力較大，但是其變形量最大隻有 0.108×10-3mm，如圖 4 所示，說明床身結構變形非常小，可以滿足加工精度，確保加工質量。
圖 4 斜床身最大變（biàn）形雲圖
3. 斜床身模態（tài）性能分析
同樣（yàng），按照圖 2 結（jié）構進行網格劃分有限元模型，運用（yòng） Block Lanczos方法計算模態分析結果見表 2。提（tí）取床身的前六階振型如圖 5 所示（shì）。
表 2 斜（xié）床身前 6 階振型計算結果
圖 5 斜床身前 6 階振型
數據分析可得，床身振動的位移（yí）量範圍約為0.052~0.079mm，對於加工影（yǐng）響不是很大，並（bìng）且模態振動的固有頻率最小為 303.38Hz。根據計算得到一階臨界轉速約為 13 652r/min，而該機床最（zuì）高轉速為 4 000r/min，遠低於臨界轉速，不會發生（shēng）共振。說明該床身完全符合初期構想的技術要求。
4. 動態性能試（shì）驗驗證
對於首台試製整體式床身數控車床，需要對（duì）其進行（háng）動態性能試驗，檢驗其各項性能是否符合（hé）技術要（yào）求。同（tóng）時為了驗證計算的準確性，對該斜床身數控（kòng）車床進行（háng）切削試驗驗證。按照國家標準 GB/T
9061—2007 和行業標準 JB/T2322.1—2002 要求，根據機床相關參數選擇刀具和試件見表 3。試（shì）件裝（zhuāng）夾如圖 6 所示。
表3 試驗參數
表4 實（shí）驗切削參數
圖 6 切（qiē）削顫振試驗
經過多次切削試驗，得到（dào）切削參數見表 4。該機床最大切削深度可達7mm。並且試驗（yàn）中（zhōng）無切削顫振（zhèn）現象，工件表麵無（wú）明顯（xiǎn）振紋，說明該機床的動（dòng）態性能良好，驗證了（le）床（chuáng）身（shēn）有限元分析的（de）準確（què）性。
5. 結語
本文運用 ANSYS 軟件對新型整（zhěng）體式（shì）床（chuáng）身結構進行了靜動態分析計算，證明床身最（zuì）大應力區域分布在床身背部一些筋板連（lián）接處，上下導軌應力很小。最大變形位置出現（xiàn）在上導軌中（zhōng）間稍微靠左的位置，應力和變形數值都很小，驗證了其（qí）強（qiáng）度和剛度的合理性。同時，得到（dào）了在（zài）切削中床身容易發生共振的頻率範圍，驗證了整體式床身結構的合理性。通過實際加工試驗驗證，進一步證明了該床身（shēn）結構的可靠和穩定（dìng）。為該新型整體（tǐ）式斜床身的批量生產提供（gòng）了理論和試驗（yàn）基礎。
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