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管螺紋（wén）車床床身的減振結構優化

2020-6-16 來源：沈陽工業（yè）大學長慶油田分公司作者：胡振馮欣楊赫然孫飛（fēi）張妮妮

摘要：管螺紋車床係統（tǒng）的剛（gāng）度與方向係數對車床（chuáng）穩定性有影響。以ＳＣＫ２３０型數控螺紋修複車床為研究對象，為（wéi）提高車床係（xì）統剛度，對床身內部筋板的結構進行優化設計方案選（xuǎn）擇，對優化方（fāng）案（àn）中筋板的厚度及孔（kǒng）徑進（jìn）行尺寸優化，並（bìng）對（duì）優化（huà）前後的床身進行模態分析，驗證了減振（zhèn）可行性。此外，通過改變床身傾斜角度，以改善（shàn）係統穩定性，結果（guǒ）表（biǎo）明優化後床身的固（gù）有頻率得以（yǐ）提高，達到了提升床身穩定性的（de）目的。

關（guān）鍵詞：數控車（chē）床；固有（yǒu）頻率；模態（tài）分析；優（yōu）化設計

０　引言

目前（qián）為使數控機床獲得優異（yì）的加工特性和動態性能，可以通過提高零部件加工裝配的精度或削弱機床本身和（hé）來（lái）自外部環境的振動（dòng）來實現［１］。床身是（shì）支撐機床的基礎部件，機床的（de）加工精度和穩定（dìng）性（xìng）與床身的動態特性（xìng）密切相關［２］，所以對床身（shēn）結構進行優化（huà）是十分必要的。通過優（yōu）化設（shè）計達到減振的目的，對於提高加工（gōng）質量有重要意義［３］。

本文以ＳＣＫ２３０型數控螺紋修複車床為研究對象，通過優化影響（xiǎng）穩定性的變（biàn）量，從而實現對床身的結（jié）構優化。首先（xiān），為提高床身剛度，對（duì）床身內置筋板進行方案優選，利用有限元進行最優筋（jīn）板厚度（dù）及開孔直徑的尺寸優化。對（duì）比優化前後的固有頻率，驗證優化是否達到減振、提升穩定性的目的。之後，改（gǎi）變床身的傾斜角度（dù），以改善（shàn）方向係數，使機床的穩（wěn）定性提升，以達到減（jiǎn）振的效果。

１、床身筋（jīn）板結構設計

合（hé）理地設置管（guǎn）螺紋車床床（chuáng）身內部筋板的（de）尺寸及布置，可以提高床身剛度，增（zēng）加車床整體剛度，使機床的穩定性得以提升［４－６］，降低車床製造成本。本文中共設計（jì）了５種板方案（如（rú）圖１所示），方案１采用原床身結構，筋板形狀為高２７５ｍｍ、底邊分別為１８０ｍｍ和３８０ｍｍ的直（zhí）角梯形；方案２筋板不設置任何開口；方案３將原（yuán）有梯（tī）形拆分成直角三角形和矩的多（duō）開口形狀；方案４筋板形狀（zhuàng）為孔徑（jìng）等（děng）於３１０ｍｍ的圓形；方案５筋板形（xíng）狀為壁厚２０ｍｍ、孔徑（jìng）３００ｍｍ的圓柱形通孔。利用Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ分別對（duì）５個方案的（de）床身進行分析，將其（qí）前４階（jiē）固有頻率作為方案優（yōu）劣的評價指（zhǐ）標（biāo），具體的計算結果（guǒ）如（rú）表１所示。

如表１所示，方案１和方案２對比，說明床身筋板（bǎn）開孔對床身的動態性能影響較小，可通過筋板開孔來降低床身（shēn）質（zhì）量；方案１與方（fāng）案３對比，說明開孔的尺寸大小對床身（shēn）的動（dòng）態性（xìng）能有（yǒu）較明顯影響；方案（àn）１與方案４、方案５進行對比，可知筋板開孔的形（xíng）狀對床身的動態性能有（yǒu）明顯影響；方案４和方案５對比時發現，雖然方案５的低階固有頻率也穩定增長，但是床（chuáng）身重量也大大增加，並且運用圓柱通孔，在實際生產加工中會增加工序並且增（zēng）加（jiā）製造成本。

圖１　車床床身筋板結構設計方案（àn）

表１　各床身優化設計方案（àn）固有頻率及質量

綜上可知，筋板開孔數量會（huì）影（yǐng）響床身固（gù）有頻率的大小，改變筋板的開孔形狀及合理設（shè）計開孔尺寸均（jun1）會提升（shēng）床身的性能。同（tóng）時考慮加工時的（de）工藝及加工成本，所以選擇方案４為最佳。

２、床身尺寸（cùn）優化

方案４的床身方案在綜（zōng）合（hé）衡量指標後成為最佳選型，下麵通過（guò）合理（lǐ）設置筋板的厚度及孔徑來進一步提高床身整體動態性能。本文利用Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ設計空（kōng）間模塊中的多（duō）目標驅動優化進行優化設（shè）計。

２．１　床（chuáng）身設計變量的提取

床身內置筋板的厚度及孔徑對床身的動態性能有明顯（xiǎn）的影響（xiǎng），故將床身三（sān）個支撐筋板的厚度及開孔的直徑作為優化過程中的設計變量，並分（fèn）別命名為Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３及Ｄ１，具體如圖２所示。

圖２　設計變量示意圖

２．２　床身優化目標函數的建立（lì）

在多目標驅動優化中選擇（zé）以上４個參數作為（wéi）優化參數，建立的目標函數為：床身約束狀態下的一階固有頻率最大。設置筋板厚度及開孔直徑的變化範圍作為約束條件：１４０ｍｍ≤Ｈ１≤１８０ｍｍ；１４０ｍｍ≤Ｈ２≤１８０ｍｍ；１４０ｍｍ≤ Ｈ３≤１８０ｍｍ；２８５ｍｍ≤Ｄ１≤３２０ｍｍ。

２．３　單一變量對目標函數的影響

隨著目標逐漸向最優目標（biāo）靠攏（lǒng），設計變量的原有狀態就會發生（shēng）改變，筋板的厚度和孔（kǒng）徑的尺寸就會有所增減，圖３～圖６為床身優（yōu）化過程中設計變（biàn）量與目標函數的變化（huà）關係。

圖３變量Ｈ１對１階固有頻率（lǜ）的影響圖４變量Ｈ２對１階固有頻率的影響

圖５變量Ｈ３對床身１階固有頻率的影響圖６變量Ｄ１對床身１階（jiē）固有（yǒu）頻率的影響

由圖（tú）３～圖６可知，１階固有頻率受每個變量的影響各不相同。固有頻率隨（suí）著Ｈ１、Ｈ２的增大先降低後升高，隨（suí）著Ｈ３、Ｄ１的增大先升高後降低。

２．４獲取最優尺寸

尋找並獲取最優結果得到目標函數解是整個優（yōu）化設計的最後一（yī）個關鍵階段，最終形成設計變量和優化目標函（hán）數的數值，如圖７所示，有（yǒu）三組最（zuì）優結果可供選擇。軟件預估出方案Ａ中目標函數的值最大，故將方案Ａ作為最佳優化方案（àn）。

２．５床身（shēn）優化結果分（fèn）析（xī）

將（jiāng）方案Ａ中優化（huà）後的尺（chǐ）寸代入原模型中計算床（chuáng）身的前４階固（gù）有頻率，與優化前（qián）床（chuáng）身的固有頻率做（zuò）對比，結果如表２所示。由表２可知，優化後床身低階固有頻率比優（yōu）化前提升了２．５３％～２１．５５％。

圖７最優尺寸方案

表２床身結構優化前、後的前（qián）４階固有頻率

３、改變方向係數

減小方向係數可以增大極限切削寬度［７］，增加車床係統穩定性。管螺紋車床車削的動力學（xué）模型如圖８所示（shì）。方向係數與動態切削力和刀具振動方向的夾（jiá）角β、主振方向與刀具振動（dòng）夾角（jiǎo）α有關。方向係數（shù）［８］計算公式為：

不同的切削材料在不同的切削條件下（xià）通過試驗得（dé）到的β基本相同［９］，β＝６０．４７°。由式（２）解得，θ＝６０°時Δ可以（yǐ）取最大值；當０°＜θ＜６０°，Δ 逐漸增大，車床穩定性減小；當６０°＜θ＜９０°，Δ 逐漸減小，車床穩定（dìng）性增加。

考慮機床實際加工情況，車身傾斜度若太低，不利於排屑，會增大切削（xuē）渣料對工件的影響；若傾斜度過高，車床的重心高，不（bú）利於提高加工精度，則θ的範圍在（zài）３０°～６０°之間較（jiào）好。管螺紋車床床身（shēn）傾斜（xié）角度為４５°，現將傾斜角度改為３０°。對優化（huà）後的模型進行模（mó）態分析，以驗證車床穩定（dìng）性是否改善，分析結果如表３所示。

圖８　管螺紋車床車（chē）削過程示意圖

表３　床身傾斜（xié）角度優（yōu）化前（qián）、後床身前４階固（gù）有頻率

表３中，優化後的床身固有頻率比優化前提升（shēng）２％～１２．１４％；方（fāng）向係數同樣比優化前減（jiǎn）小，穩（wěn）定性提升，達到減振的效果。

４、結語

本（běn）文對管螺紋車床床身結構提出了５種優化設計（jì）方案，以固有頻率作為評（píng）判（pàn）標（biāo）準進行方案優選，確（què）定筋板形式（shì）為圓形通孔型時床身為最佳（jiā）選型（xíng）。再對筋板厚（hòu）度及開孔（kǒng）大小進（jìn）行尺寸優化，尺寸優（yōu）化後的車（chē）床床身低階固有頻率提升２．５３％～２１．５５％。確定管螺紋車床床身坡度（dù）範圍為３０°～６０°之間時車床係統穩定（dìng）性良好。將床身傾斜度由４５°改為３０°，床身的低階固有頻率提升２％～１２．１４％，達到了優化減振的目的。

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