0 引言

     高速龍門五（wǔ）軸加工中心主要應用於複雜（zá）模具製造以及大型鋁合金結構件的高速、高效、高（gāo）精加工，是航空航天、模具和汽車等高（gāo）科技領（lǐng）域的關鍵加工裝備（bèi）。機床的靜（jìng）剛度是指機床承受（shòu）恒定載荷的能力，是其最重要的性能指標之（zhī）一。機床的靜態變形不但會改變零部件的幾何精度並影響加工質量（liàng），還會影響機床的生產（chǎn）率、抗振性、噪聲（shēng）、工作壽命、運動平衡性、發熱和磨損等［1］。因此在機床的設計過程（chéng）中采用有（yǒu）限元分析技術，對機床整（zhěng）機及主要部件進行靜力學分析，發現橫梁與滑枕為影響整機靜（jìng）剛度（dù）的薄弱環節，對其結構進行優化改進，從而（ér）提高了機床的靜（jìng）剛度，並在實（shí）際應用中獲得了良好的效果。

1 整機有限元建（jiàn）模

     1. 1 整機三（sān）維實體建模

     高速（sù）龍門五軸加工中心為龍（lóng）門框（kuàng）架式結構，主要由左右橋（qiáo）梁、工作台、橫梁、滑板、滑枕、雙擺頭等組成，如圖1 所（suǒ）示，工（gōng）作台與橋梁為落地式，橫梁在左右（yòu）橋梁上的直線電機並聯驅（qū）動下前後移動做X 向運動，滑板通過直線電機在橫梁上左右移動做Y 向運動，滑枕通過雙絲杠驅動結構在滑板（bǎn）中上下移動做（zuò）Z 向運動，雙擺（bǎi）頭可實現A/C 軸擺動，滿足複雜曲（qǔ）麵的五軸（zhóu）聯動加工。由於有限（xiàn）元分析軟件（jiàn）Ansys 提供的建模工具相對較弱，所以（yǐ）采用（yòng）Pro /E 軟件先將各部件建立三維實體模型，並裝（zhuāng）配得到整機模型，為減（jiǎn）少計算負荷，對（duì）模型進行適當簡化，去掉螺釘、螺母、倒角、倒圓、螺栓孔（kǒng）以及凸台等零件（jiàn）和特征，並對小錐度、小曲率曲麵（miàn）進行直（zhí）線化和平（píng）麵化處（chù）理。

     1. 2 定義材料屬性及網格劃分

     將裝（zhuāng）配得到整機模型導入有限元分析軟件Ansys的Work-bench 應用平台（tái），設置機床的材料屬性。其中，機床左右橋梁和工作台（tái）的材料（liào）為HT250，楊氏模量為1. 2 × 105MPa，密（mì）度7210kg /m3，泊鬆（sōng）比0. 22; 橫梁、滑板（bǎn）和滑枕等大件使用Q235A 鋼板焊（hàn）接而成，其材料屬性為楊氏模量2. 1 × 105MPa，密度為7860kg /m3，泊鬆比0. 3。

     網格劃分質量（liàng）直接（jiē）影響模型的計算精度，為（wéi）了提高網格質量，需要在網格劃（huá）分（fèn）階段進行嚴格控製。左右橋梁、滑板和滑枕等相（xiàng）對規則的物體（tǐ）采用六（liù）麵（miàn）體劃分; 橫（héng）梁（liáng）結構比較複雜（zá），采用等邊四麵體劃（huá）分;依據各（gè）個零件尺寸大小的不同，單（dān）元尺寸大小分別規定為10 ～ 100mm 不等（děng），網格（gé）模型見圖2。

     1. 3 結合麵的處理

     機床（chuáng）相鄰（lín）部件（jiàn）間相互接觸的區域稱為（wéi）結合部，對機床整機特性有重要（yào）影響。有統計（jì）顯示，機床（chuáng）整機靜剛度中30% ～ 50% 取決於結合部的剛（gāng）度特（tè）性［2］，動柔度有（yǒu）60% 以上（shàng）是源自結合部，阻尼值（zhí）的90%以上來源於結合（hé）部的阻尼［3］。因此，結（jié）合部的建模是機床整機有限元建模的重要組成部分。機床中主要（yào）的結合部包（bāo）括直線電機初級-次級結合部、直線滾動導軌滑塊-軌道結合部、滾珠絲杠絲母-絲杠結合部和螺栓連接的固定結（jié）合部。直線電（diàn）機推動力很大，初級相對次級運（yùn）動時幾乎沒有彈性，在直線電機運動方向（xiàng）上施加位（wèi）移約束方程; 滑（huá）塊可沿導軌運動，在兩個方向上承受力的作用，滾珠絲（sī）杠隻承受軸線方向的力的作（zuò）用（yòng），這兩種結（jié）合部采用節點耦合的接（jiē）觸單元模擬; 螺（luó）栓連接的結合部全部采用接觸單元模擬。所有接觸單元接觸（chù）剛度、阻尼和摩擦係數等參數均依據公司參數（shù）庫查詢得到。

2 整機靜力學分析

     對於高速龍門五軸加工中心這樣的大型機床，在計算靜力變形時，不能忽視它本身的重（chóng）力對機床的變形和加（jiā）工（gōng）的（de）影響。根據機床（chuáng）的結構可知當滑枕沿機床（chuáng）Z 坐（zuò）標方向移動到最下端時，滑枕的伸出量最長，此時的（de）變形最大，所以整機的靜力學（xué）分析將（jiāng）選擇此時機床（chuáng）的位姿來計算。首先計算機床在重力作（zuò）用下的變形情況，計算結果（guǒ）如圖3 所示，機床的（de）最大變形為0. 34mm。將（jiāng）總變形（xíng）分解到各個部件，結果如圖4 所示，從計算的（de）結果可以看出橫（héng）梁的變形最大（dà），為0. 13mm，為機床的薄弱（ruò）環節，其引起的機床變（biàn）形占總變形的38%，主要原因（yīn）是橫梁在重力作用下發（fā）生YZ 平麵的彎曲和XZ 平麵的扭轉，帶動主軸偏（piān）離理想位置。

     在機床有限元模型中（zhōng），按實際工況設置邊界（jiè）約束條件（jiàn），將左右橋梁地腳孔內圓柱麵作為固定約束，根（gēn）據加工過程中刀具（jù）在各方向的受力，將切（qiē）削工件時（shí）作用在刀具的（de）反力折算（suàn）簡化（huà）到電主軸的下端麵，在有限元模型X、Y、Z 三個方（fāng）向上各施（shī）加載（zǎi）荷（hé）10000N，分別計算出X、Y、Z 方向機床的（de）最大（dà）變（biàn）形，計算結（jié）果如（rú）圖5，圖6，圖7 所示，從計（jì）算結果可以看出，機床在X 方向的變形量最大，剛度值最（zuì）低（dī）。

     為找出機床的薄弱環節，將機床在（zài）X、Y、Z 方向切削力分別作用下總變形分解到各個主要部件，結果如圖8 所示; 從計（jì）算結果可以看出，在X 方向橫梁和滑枕是引起變形的主要部（bù）件，其變形分別為0. 10mm 和0. 12mm，占到總變形的32%和40%，在Y 向變形中滑枕是引起變形的主要（yào）部件，變形（xíng）為0. 10mm，占到總變形的58%，變形形式為橫梁（liáng）的扭轉、彎曲和滑枕的彎曲，說明橫梁的扭轉剛度、彎曲（qǔ）剛度和滑枕的彎曲剛度較差，是進一步優化改（gǎi）進的重點。

3 機床結構優化設計

     橫梁和滑枕為機床（chuáng）的核心基礎大件，由前麵的分析結果可知，它們為機（jī）床的薄弱（ruò）環節，需對其結構優化改進; 機床大件的剛度主要決定（dìng）於它的（de）材料、截麵形狀、尺寸和筋（jīn）板的布置等因素，所（suǒ）以（yǐ）本文（wén）以它們的內（nèi）部結構為出發點，改變尺寸、截麵形狀、筋板的布置，然後利用（yòng）有限元分（fèn）析方法對改進前後方（fāng）案對比，從而確定優化方案，提高它們的剛度。

      橫梁改進如圖9， 10 所示，在（zài）橫截麵（miàn）上相對於優化前增加一條橫隔筋板貫穿橫梁，並增加了交叉筋板的密度，來改善橫梁的彎曲剛度，在縱截麵（miàn）上增加一條豎隔（gé）筋板，將其截麵劃分為（wéi）若幹矩形，另外將縱截麵外圍版厚度從20mm 增加（jiā）到25mm，筋板及後圍板厚度由原來的（de）16mm 改為12mm，並開有很多圓形或方形（xíng）的窗格，減輕重量，有限元分析對比結果詳見表（biǎo）2。

     滑枕為典型的矩（jǔ）形結構，其剛性主要取決於（yú）矩形截麵的大小和筋板的（de）布置（zhì），將原滑枕橫截麵由原來的460 × 460mm2 增大為500 ×500mm2，滑枕（zhěn）中部增加一直徑為200mm 的圓通貫穿整個滑枕，另外將外圍板厚度由（yóu）原來的30mm 減小到（dào）25mm，減輕重量，經有（yǒu）限元分析對比後結果詳見（jiàn）表2。

4 結束語

     由機床靜力分析結果可知，機床X 向靜剛度為32. 5N/um，相對於Y、Z 向較（jiào）弱，將機床（chuáng）X、Y、Z 方向變形進行分解，發現橫（héng）梁和滑枕是引起變形的主要部件，因此從橫梁和滑板（bǎn）的內部結構為出發點，改（gǎi）變尺寸、截麵形狀、筋板的布置，然後利用（yòng）有限元技術對改（gǎi）進（jìn）前後方案對比，確定優化方案，優化後使整機X、Y 向靜剛度分別提高15. 3%和8. 1%，提高了整機的靜剛度，在實（shí）際（jì）應用中獲得了良好的效果。