模塊化斜床身結構靜動（dòng）態性能研究
2020-9-2 來源：通用技術集團大（dà）連機床有限責任公司 作者： 吳慧敏（mǐn）
摘要 : 針（zhēn）對新型模塊化數控車床產品，利用 ANSYS 軟件對其整體鑄造斜床身結構進行了（le）靜態和（hé）動態分析，並（bìng）經過試驗驗證，為機床進一步的結構優化升級與批量生產（chǎn）提供了理論（lùn）試驗依據。
關鍵詞 : 模塊化; 整體式; 斜床身（shēn）; 車床（chuáng）
隨著工業 4.0 興起，製造業不斷向智能製（zhì）造（zào）方向轉變（biàn）。模塊化（huà）機床是現代生產的一種新型模式。模塊化係統定（dìng）義為一種（zhǒng）盡可能的通用的可替換的基本部件組（zǔ）合成不同形式機床品（pǐn）種的生產技（jì）術和組織（zhī）計劃方式。針對這一理念（niàn），以廠內新型模塊（kuài）化數（shù）控車（chē）床（chuáng）為例，通過靜動態分析模塊，分析了 40°整體式（shì）床身靜動態性能，為實現精益生產提供了有（yǒu）價值的參考。該機床的 Pro/E 模（mó）型如圖 1 所示。床身采用整體鑄造成形，床身導軌 40°傾（qīng）斜布局，有較大的承載截麵，其他模塊按照市場需（xū）求進行不同配置，可實現（xiàn）高精密、高效率和高可靠性加（jiā）工。
圖（tú） 1 模塊化機床架構
1. 整體式斜床（chuáng）身有限元模型建立
床身作為機床承載載荷的基礎，其性能非常重（chóng）要。需要對其（qí）進行靜力（lì）學（xué）分析，找出應力和變形最大的薄弱點，為衡量機床性能提供可靠的依（yī）據。
由（yóu）於過（guò）渡圓角、螺栓孔及模型中的小孔對床身的質（zhì）量及剛度不會產生大的影響，完全可以保證足（zú）夠的計（jì）算（suàn）精度，因此可以去掉這些特征。將 Pro/E 軟件建立的床身模型導入 ANSYS中。設置床身材料為 HT300，密度為 7 300kg/cm3，楊氏模（mó）量為 1.43×1011Pa，泊鬆比為 0.26。采用四麵體（tǐ）和掃（sǎo）掠網格劃分，床身節點數（shù）為 341789 個，單元個數為 187 625。整體式斜床身有限元模型如圖 2 所（suǒ）示。
圖 2 整體式（shì）斜床身（shēn）有限元模
2. 斜床身靜力學分析
數控車床斜床身（shēn）底部與地基固定（dìng），可以定義為全約束，主要承載載（zǎi）荷見表 1。上導軌麵承載刀塔（tǎ）刀（dāo）盤和滑板的共同質（zhì）量，下（xià）導軌麵承（chéng）載主軸箱和尾座的共同質量。在工（gōng）礦下，上（shàng）下（xià）導軌均承受切削力的作用。
表 1 斜床身載（zǎi）荷參數（質量 ：kg）
針對此床（chuáng）身 40°傾斜設計，從（cóng）床身靜（jìng）態有限元分析可（kě）知，最大應力區（qū）域分布在床身背部一些筋板連接處，上下導軌應力很小，對實際加工幾（jǐ）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（shàng）導軌中間稍微靠左的（de）位置，這與工況下導軌（guǐ）受到最大的力相（xiàng）吻合，此處正是加工工件時刀塔（tǎ）的位置。由於導軌傾（qīng）斜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（chuáng）身結構變形非常小，可以滿（mǎn）足加工精度，確保（bǎo）加（jiā）工質量。
圖 4 斜床身最大變形雲圖
3. 斜床身模態性能分（fèn）析（xī）
同樣（yàng），按照圖（tú） 2 結構進（jìn）行網（wǎng）格劃分有限元模（mó）型（xíng），運用 Block Lanczos方法計算模態分析結果見表 2。提取床（chuáng）身的前六階振型如圖 5 所示。
表 2 斜床身前 6 階振型（xíng）計算結果
圖 5 斜床（chuáng）身（shēn）前 6 階振型（xíng）
數據（jù）分析可得，床身振動的位移量範圍（wéi）約為0.052~0.079mm，對於加工影響不是很大，並（bìng）且模（mó）態振動的固有（yǒu）頻率（lǜ）最小為 303.38Hz。根據計算得到一階臨界轉速約為 13 652r/min，而該機床最高轉速為 4 000r/min，遠低於臨（lín）界轉速（sù），不會發生共振。說明該床身完全（quán）符（fú）合初期構想的技術要求。
4. 動態性能試驗驗證
對於（yú）首台試製整體式床身數控車床，需要對其進（jìn）行動（dòng）態性能試（shì）驗，檢驗其各項性能是否符合技術要求。同時為了驗證（zhèng）計算的（de）準確性，對該斜床身數控車床進行切削試驗驗證。按照國家標準 GB/T
9061—2007 和行業（yè）標準 JB/T2322.1—2002 要求，根據機床相關（guān）參數選擇刀具和試件見表 3。試件裝夾如圖 6 所示。
表3 試驗參數（shù）
表4 實驗（yàn）切削參數
圖 6 切削顫振試驗
經過多次切削試（shì）驗，得到（dào）切削參（cān）數見（jiàn）表 4。該機（jī）床最大切削深度可達7mm。並且試驗中無切削顫振現象（xiàng），工（gōng）件表麵無明顯振紋（wén），說明該機床的動（dòng）態性能良好，驗證了（le）床身有（yǒu）限元分析的準確性。
5. 結語
本文運用 ANSYS 軟件對新型整體式床身結構進行了（le）靜動態分析計算，證（zhèng）明床（chuáng）身最大應力（lì）區域分布在（zài）床身背部一些（xiē）筋板（bǎn）連接處，上下導軌應力很小。最大變形位（wèi）置出現在上導軌中間稍微靠左的（de）位置，應力和變形數值（zhí）都很小，驗證了其強度和剛度的合理（lǐ）性。同時，得（dé）到了在切削中床身（shēn）容易發生共振的頻率範圍，驗證了整（zhěng）體式床身結構的合理性。通（tōng）過實際（jì）加工試驗驗證，進一步（bù）證明了該床身結構的可靠和穩（wěn）定。為該新型整體式斜床身的批（pī）量生（shēng）產提供了（le）理（lǐ）論和試驗（yàn）基礎。
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