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龍門加工中心橫梁輕（qīng）量化設計

2018-1-4 來源（yuán）：南（nán）通國盛機電集團南通大學（xué）機械工程作者：劉傳（chuán）進邱自（zì）學（xué）鞠家全陳錦傑繆申等

摘要：機床橫梁（liáng）的靜動態性能對機（jī）床的加工精度影響很大，因此需要對橫梁進（jìn）行優化設計（jì）以提高其靜動態性能。對原（yuán）橫梁進行有限元分析，並對橫梁筋板（bǎn）結構、橫梁（liáng）支（zhī）撐導軌麵結構進行了優化設計。對（duì）比優化前後橫梁的靜力學特性（xìng）和模態特性，優化後的橫梁在最大應力和一階固有頻（pín）率基本不變的情況下，其中質量（liàng）減輕最為明顯，減輕了499 kg，最大變形（xíng）量減少了7.84% ，輕量化（huà）效果明顯，提高了橫梁（liáng）性能。

關鍵詞（cí）：龍門加工中（zhōng）心；橫梁；輕量化；有限元法

0 引言

我國是世（shì）界機床第一生產（chǎn）大國和消費國，所以綠色機床的研製對於當下我國環境問（wèn）題有著建（jiàn）設性意義[1]。機床橫梁作為機床的重要支撐部件，其體積大、質量重、耗材多（duō），對機床（chuáng）的加工性能有重（chóng）要（yào）的影響。國內外眾（zhòng）多學者對機床（chuáng）橫梁進（jìn）行了研（yán）究，主要采用（yòng）拓撲優化方法對機床的大型零部件進（jìn）行優化設計；采（cǎi）用靈（líng）敏度分析法對（duì）橫梁等零部件的（de）筋板厚度、箱體壁厚等參數的取值進行設計，從而獲得最佳的參數值，提高（gāo）相應的（de）性能；采用仿生學原理對橫梁進行優化設計，提高（gāo）零件的（de）結構剛性；優化設計的對象主（zhǔ）要集中在筋板結（jié）構、筋板厚度、箱體壁厚、外形尺寸等[2-5]。

本文（wén）針對橫梁上滑座行程範圍內的橫梁內部筋（jīn）板結構進行優化（huà）設計（jì），並且針對橫梁薄弱位置進行結構設計,從而提高橫梁性（xìng）。

1 、橫梁係統理（lǐ）論（lùn）分（fèn）析

如圖1所示，機床主要由床身、立柱、橫梁、滑座等零部件組成（chéng），其中移動橫梁可以沿著立柱做（zuò）豎直（zhí）方向上的上下運動，在靜止時，橫梁不僅受（shòu）到位於左右立柱上滾珠絲杆的托舉力，還受到自身重力和滑座組件（包括滑座、滑枕、主軸箱等）重力的作用。

如圖2所示（shì），為橫梁振動模型簡圖。

2 、原橫梁靜態模態分析

對於橫梁等大型零部件，其內部的筋（jīn）板結構設計得是（shì）否合理，關係著橫（héng）梁係統，甚至整個機（jī）床係統的加工性能。動梁龍門加工中心的橫梁作（zuò）為運動與支承部件（jiàn），其靜動態性能對機床加（jiā）工精度影響重大，因此，針對（duì）橫梁內部筋板結構（gòu）進行設計與優化。

如圖3所示，為原橫（héng）梁結（jié）構圖，其中橫（héng）梁內部筋板結（jié）構（gòu）為“米（mǐ）”型，筋板厚度為30 mm。因為滑座（zuò）組件（包括（kuò）滑座、主軸箱、滑枕等）在橫梁上（shàng）移動的行程範圍僅為圖中所示的L區域，因（yīn）此在對橫梁（liáng）進行（háng）優化設計（jì）過程中僅對橫梁L區域段的筋板結構進行優化設計。

為提高有限元仿真分析的效率與準確（què）性，分析時，僅（jǐn）將橫梁導入（rù）分析軟件，此外，去除橫梁模（mó）型上（shàng）不必要的孔和細小零件 [7-10]，其中橫梁材料屬性設置為：密度7250 kg/m3，彈性模量 120 GPa，泊鬆（sōng）比0.27，環境溫度 22℃；網格劃分時（shí）設置相關度為100%，網格大小 0.05 m。如圖4所示，將滑座組件的（de）重力對橫梁（liáng）的作用效果等效為對應上下導軌麵的正壓力F2和F3，將滑座組件重力對（duì）橫梁的扭（niǔ）轉作用等（děng）效為上（shàng）導軌內側麵和下導軌外側麵的力F4和F5，將滾珠絲杠對橫梁的托舉力2F1作用等效為對（duì）應麵的固定約束，將橫梁後側液壓夾緊裝置的作用效果等效為對應麵（miàn）的固定約束。

將橫梁三維模型導入ANSYS中（zhōng），仿真分析（xī）橫梁在非工作狀態下的靜動態特性，如圖5所示為原橫梁有限（xiàn）元分析最大變形雲（yún）圖和最大應力雲圖，其中最（zuì）大變形量為36.109 μm

，位置在橫梁中（zhōng）間部位，最大應力為4.4558 MPa。雖然以上兩（liǎng）指標均可滿足出廠設計（jì）要求，但（dàn）是最大變形量仍然有提高（gāo）的空間。

此外，最大應力遠小於材料HT300的（de）許用應力（lì），因此，在後續的（de）優化設計（jì）中可將最大應力作為次要評估指標。

對橫梁進行模態分析（xī），分析結果如圖6所示（shì），其中一階固有（yǒu）頻率為（wéi）138.68 Hz，然而外在的激振頻率為（wéi）0~100 Hz，因此該橫梁不會發生共振現象，所以，在後續的優化設計中可將一（yī）階固有頻率做為次要（yào）評估指標。

其中原橫梁一階固有頻率（lǜ）振型為沿Z軸平動，說（shuō）明橫（héng）梁在（zài）受（shòu）到外載荷（hé）（滑板組件及切（qiē）削力）作用下，當激振頻（pín）率與固有頻率（lǜ）相近時，發生（shēng）共振，且易發（fā）生沿Z軸（zhóu）方向的傾（qīng）斜翻轉，從而損壞橫梁及其它部件的結構，因此，實際生產過程中應該避免機床處於激振頻率較高的環（huán）境中或遠離振動頻率（lǜ）較高的機械（xiè）設備。

3 、橫（héng）梁結構優化

3.1 橫梁筋板結（jié）構（gòu）優化設（shè）計

橫梁筋板結構對橫梁的靜動態特（tè）性均有（yǒu）很大的影響，文中對橫梁的（de）筋板結構進行了（le）優化設計，在筋板厚度不變的情況下，即筋板厚度為30 mm。將（jiāng）筋板結構設計（jì）成如圖7所示結（jié）構，即“十”型結構。

3.2 橫梁支（zhī）撐筋板結構優化設計

由圖5的橫梁靜力學分析（xī）雲圖可知，橫梁上導軌變（biàn）形最大，且最大變形位置在橫梁上（shàng）導軌中間部位，上（shàng）導軌結構類似於懸臂梁結構，這種結構最大的缺點是底部彎矩大，易發生較（jiào）大的扭（niǔ）轉變（biàn）形，而針對（duì）這（zhè）樣（yàng）的結構，簡（jiǎn）單有效的方法是在懸臂梁（liáng）的下（xià）端部增加加強（qiáng）筋板。

結合橫梁自身結構特點，為降低（dī）其最大（dà）形變量，將橫（héng）梁上導（dǎo）軌下側（cè）的支撐筋板傾斜（xié）設計，如圖8所示（shì），優化前橫梁上（shàng）導軌下側支撐筋（jīn）板水平設計（90°），優化後將其傾斜

55°設計，即θ=55°.

4 、優化結果

對優化後的（de）橫（héng）梁進行有限元仿（fǎng）真分析，並對優化前後的各項性能進行（háng）比較，結合1、2節的分析，以最大變形（xíng）量、質量作為（wéi）主要評估指（zhǐ）標，以一階固有頻率和最大應（yīng）力作為次要評估指標，對優化後的橫梁（liáng）進行（háng）評估比（bǐ）較。

如圖9所示，為（wéi）優化後橫梁的有限元分析雲圖。

如表1所示為優化後橫梁的前4階固有頻（pín）率及振型。優化前後主要參數對比如（rú）表2所示。其中優（yōu）化後橫（héng）梁質量減輕最明顯，減（jiǎn）輕了（le）499kg，最大變形量減少了7.84%，雖然一階固有頻率有稍微的（de）減少，但是其值任然（rán）遠大於激振（zhèn）頻率，最大應力雖然增加（jiā）了0.15 MPa，但是其值遠小於材料HT300的許用應（yīng）力；此外，橫梁的X、Y、Z向的形變量均有不同程度的減（jiǎn）少，其（qí）中X向橫梁（liáng）形變減少最大，減少了16.99%。

綜合以上分析說明（míng）優化後橫梁上導軌麵的扭轉變形明顯（xiǎn）減少，剛性增加，橫梁的靜（jìng）動（dòng）態（tài）性能得到提高，優化設計的方法與角度是合理可行的。

5 、結語

對橫梁進行建模和有限元（yuán）分析，並對橫（héng）梁的（de）內部筋板結構和橫梁薄弱環節的結構進行設計與優化，優（yōu）化後在橫梁最大應力與一階固有頻（pín）率基本不變（biàn）的情況下，橫梁質量減少（shǎo）了499 kg，最大變形量減少（shǎo）了7.84%，取得良好輕量化效果，為機床零（líng）部件的設計提供了方法參（cān）考。

文中雖然對橫梁的筋板結（jié）構和（hé）橫梁上導軌支撐筋板的結構進行了優化設計，使橫梁的性能得到有效（xiào）提高，在以後（hòu）的（de）研究中，如果將橫梁（liáng）的（de）筋板厚度、橫梁箱（xiāng）體的壁厚以及（jí）橫梁的外形尺寸（cùn）等作為優化設計的目標，並結合正交試驗法和靈敏度法將進一步提高（gāo）優（yōu）化設計的效率與參數選取的準（zhǔn）確性。

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