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模塊化斜床身結構靜動態性能研究

2020-9-2 來源（yuán）：通用技術集團大連機床有限責任公司作者：吳慧敏

摘要 : 針對（duì）新型（xíng）模塊化數控車床產品，利用 ANSYS 軟件對其整體（tǐ）鑄造斜（xié）床（chuáng）身結構進行了靜態和動態分析，並經過試（shì）驗驗證，為機床進一步的結構優化升級（jí）與批量生（shēng）產提供了理論（lùn）試驗依據。

關鍵詞 : 模塊（kuài）化; 整體式; 斜床身; 車（chē）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）塊化機床是現代生產的一（yī）種新型模式。模塊化係（xì）統定義為一（yī）種盡可（kě）能的通用的可替換的基本（běn）部件組合成不同形式（shì）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（huà）數控（kòng）車床為例，通過靜動態分析模（mó）塊，分（fèn）析了 40°整（zhěng）體式床身靜動態性能，為實現精益生產提供了（le）有價值的參考。該機床的 Pro/E 模（mó）型如圖 1 所示。床身采用整體鑄造成形（xíng），床身導軌 40°傾斜布局，有較大的承載截麵，其（qí）他模塊按照市場（chǎng）需求進行不同配置，可實現高精密、高效率（lǜ）和高可靠性加工。

圖 1　模塊化機床架構

1. 整體式（shì）斜床身有限元模型建立

床身作（zuò）為機床承載載荷的基礎，其性能非（fēi）常重要（yào）。需要對其進行靜力學分析，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據。

由於過渡圓角、螺栓（shuān）孔及模型中的小孔對床身的質量及（jí）剛度不會產（chǎn）生大（dà）的影響，完全可（kě）以保證足夠的計算精度，因此可以去掉這些特征。將 Pro/E 軟件建立的床身模型導入 ANSYS中。設（shè）置床身材料為（wéi） HT300，密度為 7 300kg/cm3，楊（yáng）氏模量為 1.43×1011Pa，泊鬆比為 0.26。采（cǎi）用四麵體和掃掠網（wǎng）格（gé）劃分，床身（shēn）節點數為 341789 個，單元（yuán）個數為 187 625。整體式斜床身有限元模型如圖 2 所示。

圖 2　整體式斜床身有限元模

2. 斜床身靜力學分析

數（shù）控車床斜床身底（dǐ）部與地基固定，可以（yǐ）定義為全（quán）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量，下導軌麵承載主軸箱和尾座的共同質量（liàng）。在工礦（kuàng）下，上下（xià）導軌均承受切削力（lì）的作用（yòng）。

表 1　斜床身載荷參（cān）數（質量：kg）

針對此床身 40°傾斜（xié）設計，從床（chuáng）身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（lián）接處，上下（xià）導軌應力很小，對實際加工幾乎沒（méi）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（wèi）置（zhì）出現在上（shàng）導軌中（zhōng）間稍微靠左的位置，這與工（gōng）況下導軌受到（dào）最大的力相吻合，此處（chù）正是（shì）加工工件時刀塔的位置。由於導軌傾斜40°，上導軌外側部分承載力較大，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（biàn）形非常小（xiǎo），可以滿足加工精度，確保加工質量。

圖 4 斜（xié）床身最大變形（xíng）雲圖

3. 斜床身模態性能分析

同樣，按照圖 2 結構進行網格劃分有限（xiàn）元模（mó）型，運用 Block Lanczos方法（fǎ）計（jì）算模態分析結果見表 2。提取床身的前六階振型如圖 5 所示。

表 2 斜床身前 6 階振型計（jì）算（suàn）結果

圖 5 斜床身（shēn）前 6 階振型

數據分析可得，床身振動的位移量範圍約為0.052~0.079mm，對於加工影響不（bú）是很大，並且模態振動的（de）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（ér）該機床（chuáng）最（zuì）高（gāo）轉速（sù）為 4 000r/min，遠（yuǎn）低（dī）於臨（lín）界（jiè）轉速（sù），不會發生共振。說（shuō）明該床身完全符合初期構（gòu）想（xiǎng）的技術要求。

4. 動態性能試驗驗證

對於首台試製整體式床身數控車床，需要對其進行動態性能試驗，檢驗（yàn）其各項性能是否符合（hé）技術要求。同時（shí）為了（le）驗證計算的準確（què）性，對（duì）該斜床身數控車床進行（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（qiú），根據機床相（xiàng）關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

表4 實驗切削參（cān）數

圖 6 切削顫振試驗

經過（guò）多次切削試驗，得（dé）到切削參數見（jiàn）表 4。該機床最大切削深度可達7mm。並（bìng）且試（shì）驗中無（wú）切削顫振現象，工件表麵無明顯（xiǎn）振紋，說明該機床的動態性能良好，驗證了床身有限元分析的準確性。

5. 結語（yǔ）

本（běn）文運用 ANSYS 軟件對新型整體式床身結構進行了靜動態分析計（jì）算，證明床身最大應力（lì）區域分布在床身背部一些（xiē）筋板連接處，上下導軌應力很小。最大變（biàn）形位置出現在上導軌中間稍微靠左的位置，應力和（hé）變形（xíng）數值都很小，驗證（zhèng）了其強度和剛度的合理性。同時，得到了在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（jìn）一步證明了該（gāi）床（chuáng）身結構（gòu）的可靠和穩定。為該新型整體（tǐ）式斜床身（shēn）的批量生產提供了理（lǐ）論（lùn）和試（shì）驗基（jī）礎。

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