模塊化斜床身結構靜動態性能研究
2020-9-2 來源：通用技術集團大連機床有限責任公司 作者： 吳慧敏（mǐn）
摘要 : 針對（duì）新型模塊化數控車床產品，利（lì）用 ANSYS 軟件對其整體鑄造斜床身（shēn）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級與批量生產提供了理論試驗依據。
關（guān）鍵詞 : 模塊化; 整體式; 斜（xié）床身; 車床
隨著工業 4.0 興起，製造業不斷向智能（néng）製造（zào）方向轉變。模塊化機床（chuáng）是現代生產的一種新型模式。模塊化（huà）係統定義為一種盡可能的（de）通用的可替換的基本部件組（zǔ）合成不同（tóng）形式機（jī）床品種的生產技術和組織計劃（huá）方式。針對這一理（lǐ）念（niàn），以廠內新型模塊化數控（kòng）車床為例，通過靜動態分析模塊，分析了 40°整體式床身靜動態性能，為實現精益生產提（tí）供了有價值的參考。該機床的 Pro/E 模型如圖 1 所（suǒ）示。床身采用（yòng）整體（tǐ）鑄造成形，床（chuáng）身導軌 40°傾斜布局，有較大的（de）承載截麵，其他模塊按照市場需求進行（háng）不同配（pèi）置，可實現高精密、高效率和高可靠性（xìng）加（jiā）工。
圖 1 模塊化機床（chuáng）架構
1. 整體式斜床身有限元模型建立（lì）
床身作為機床承載（zǎi）載荷的基礎，其性能非常重要。需要對其進行靜力學分析，找（zhǎo）出應力和變形最大的（de）薄弱點，為衡量機床性能提供可靠（kào）的依據。
由於過渡圓角、螺栓孔及模（mó）型中的小孔對床身的質量及剛度不（bú）會產生大的影（yǐng）響，完全可以保證足夠的計算精度，因此可以去掉這些特（tè）征。將 Pro/E 軟件建（jiàn）立的床（chuáng）身模（mó）型導入 ANSYS中。設置床身材料（liào）為 HT300，密度為 7 300kg/cm3，楊氏（shì）模量為 1.43×1011Pa，泊鬆比（bǐ）為 0.26。采用四麵體和掃掠網格劃分，床身節點數為 341789 個，單元（yuán）個數（shù）為 187 625。整體式斜床身有限元模型如圖 2 所示。
圖 2 整體式斜床（chuáng）身有（yǒu）限元模（mó）
2. 斜床身靜力學分析
數控（kòng）車床斜床身底部與地基固定，可以定義為全約束，主要承載載荷見表 1。上導軌麵承載刀塔刀盤和滑板的共同質（zhì）量，下導軌麵承載主軸箱和尾座的共同質量。在工礦下，上下導軌均承（chéng）受切（qiē）削力的作用。
表（biǎo） 1 斜床身（shēn）載荷參數（質量 ：kg）
針對此床（chuáng）身 40°傾斜設計，從床身靜態有限元（yuán）分（fèn）析可知（zhī），最大應力（lì）區域（yù）分布在床身背部一些（xiē）筋板連接處，上下導軌應力很小（xiǎo），對實際加工幾乎沒有影響，床身最（zuì）大（dà）應力為 28 540N，如圖 3所示（shì）。
圖 3 斜床身最大應力雲圖
最大變形（xíng）位置出（chū）現在上導（dǎo）軌中間稍（shāo）微靠左（zuǒ）的位置，這與工況下導軌受（shòu）到最（zuì）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40°，上導軌（guǐ）外側部分承載（zǎi）力（lì）較大，但是其變形量最大隻有（yǒu） 0.108×10-3mm，如圖 4 所（suǒ）示，說明床身結構變形非常小，可以（yǐ）滿足加工精度，確保加（jiā）工（gōng）質量。
圖（tú） 4 斜床身最大變形雲圖
3. 斜床身模態性能分（fèn）析
同樣，按（àn）照圖 2 結構進行網格劃分有限元模型，運用 Block Lanczos方法計算模態分析結（jié）果（guǒ）見表 2。提取床身的前（qián）六階振型如圖 5 所（suǒ）示。
表（biǎo） 2 斜床身前 6 階振型計算結果
圖 5 斜床身前 6 階振型
數據分析可得，床身振動的位移量範（fàn）圍約為0.052~0.079mm，對於加工（gōng）影響不是很大，並且（qiě）模（mó）態振動的固有頻率最小為 303.38Hz。根（gēn）據計算（suàn）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，遠低於臨界轉速，不會發生共振（zhèn）。說明該床身完全符合初期構想的（de）技術要求。
4. 動態性能試驗驗證
對於首台試製整體式床（chuáng）身數控車（chē）床（chuáng），需（xū）要對其進行動態性能試驗，檢（jiǎn）驗其各項性能是否（fǒu）符（fú）合技術要求。同時為了驗證計算（suàn）的準確性（xìng），對該斜床身數控車床（chuáng）進行切削（xuē）試驗驗證。按照國家標準 GB/T
9061—2007 和行業標準（zhǔn） JB/T2322.1—2002 要求，根（gēn）據（jù）機床相關參數選擇刀（dāo）具和試件見表 3。試件裝夾（jiá）如圖 6 所示。
表3 試驗參數
表4 實驗切削參數
圖 6 切削顫振試驗
經（jīng）過多次切削試驗，得到切削參數見表 4。該機床最大切削深（shēn）度可達7mm。並且試驗中無切削顫振現象，工件表麵（miàn）無明顯（xiǎn）振紋（wén），說明（míng）該（gāi）機床的動態性能良好，驗證了床身有限元分析的準確性。
5. 結（jié）語
本文運用 ANSYS 軟件對新型整體式床身結（jié）構進行了靜動態分析計算，證明床身最大應力區域分布在床身背部一些筋板連接處，上下導（dǎo）軌應力很小。最大變形位置出現在上導軌中間稍微靠左的位（wèi）置（zhì），應力（lì）和變形數值都很小，驗證了其（qí）強度和（hé）剛度的（de）合理性。同時，得到了在切削中床身容易發生共振的（de）頻率範圍，驗證了整體式床身結構的合理性。通過（guò）實際（jì）加工試驗驗證，進（jìn）一步證明了該床身結構的可靠和穩定。為該新型整體（tǐ）式斜床身（shēn）的批（pī）量生產提（tí）供了理（lǐ）論和試驗基礎。
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