橋式車銑加工中心橫梁的設計研究*

隋連香 劉麗芳 王 晶

（①沈陽理工大學，遼寧沈陽110168;②沈陽機床集團公司，遼寧沈陽 110142）

隨著科學技術的快速發(fā)展，普通的三軸數(shù)控機床已滿足不了人們對加工零件的更高要求［1］。面對我國對大型數(shù)控機床這一關鍵裝備的迫切需求［2］設計了該橋式五軸聯(lián)動車銑加工中心。因車銑加工是一種新的切削加工方法，在車銑加工中心上可完成車削、銑削、鉆鏜等復雜工序加工［3］，尤其對大型回轉體的高速切削及弱剛度回轉體的精加工有其獨特的優(yōu)勢［4］。在設計過程中，對該機床的結構和精度提出了較高的要求。作為該機床的主要移動件—橫梁，它對提高機床的動態(tài)特性和加工精度影響很大，所以對橫梁的動態(tài)特性和結構進行分析研究至關重要。本文借助ANSYS軟件對橫梁建立有限元模型，找出橫梁在不同參數(shù)下動力學特性上的優(yōu)缺點，并對不同模型的動態(tài)特性進行分析，重點考慮機床零部件的動態(tài)特性對整機性能的影響，實現(xiàn)對該橫梁的最優(yōu)化設計。

1 機床簡介

本機床采用高架式橫梁移動框架結構，用于實現(xiàn)X、Y、Z三軸的高速移動。橫梁沿床身導軌往復運動為X軸，滑鞍沿橫梁左右移動為Y軸，滑枕沿滑鞍上下移動為Z軸。X、Y、Z軸均由西門子交流伺服電動機驅動。在Y軸方向上采用雙橫梁的結構形式，易于實現(xiàn)受力的平衡和受載荷的均勻。Y軸前橫梁9和Y軸后橫梁8通過導向鍵和螺栓固定成一體（簡稱為Y軸橫梁），該橫梁水平方向布置，并安裝在2個X軸滾動導軌上面。機床總體布局見圖1。

2 構件的動力學模型

因采用床身橫梁移動結構，橫梁沿床身導軌往復運動，滑鞍沿橫梁左右移動，滑枕沿滑鞍上下移動。最初設計思路為:后橫梁8和前橫梁9為鑄造箱體結構，相對一側、底側均開有消失模鑄造的工藝孔，內部設有垂直筋板支撐，筋板上也有鑄造工藝孔;但為提高其運動的靈活性，確保機床的加工精度，橫梁設計采用焊接型式。橫梁長5 800 mm，寬1 850 mm，高1 700 mm。前橫梁、后橫梁外壁厚均為25 mm，筋板厚20 mm。

首先，對橫梁用SOLIDWORKS三維建模軟件建立立體模型，其次，為確保計算精度，在對模型進行相應的修正之后導入有限元軟件ANSYS，并創(chuàng)建其有限元模型。選用SOLID45單元，采用映射網格劃分功能將模型劃分網格，共劃分為15 000多個單元，30 000多個節(jié)點。約束條件為橫梁和與其接觸的4條導軌的線約束，約束其兩個自由度UY，UZ。計算其模態(tài)。第一階振型固有頻率為67.62 Hz，第二階振型固有頻率為76.23 Hz。第一階、第二階振型均表現(xiàn)為后橫梁8模態(tài)相對位移量很小，而前橫梁9表現(xiàn)為上下振動，且模態(tài)相對位移量較大。這反映出前橫梁在銑削力作用下容易產生較大幅度的上下振動，在加工過程中使銑刀頭的定位精度超差，工件的相互位置度嚴重下降。因此，必須對前橫梁9的原結構設計進行修改。橫梁第一階振型見圖2。

經分析，造成前橫梁9動剛性不好的主要原因是其內部的加強筋結構和布局不合理。因設計要求前后橫梁外形尺寸一致，故在前橫梁外形尺寸不變的情況下，應對其內部加強筋的結構和布局做相應的調整和修改，并提出以下幾種改進方案。下面將重點分析其內部加強筋數(shù)目和布局的變化對其結構動態(tài)特性的影響。

3 改進后的模型

因對零件內部加強筋布局的調整可以改變其動力學特性［5］。故對前橫梁9內部加強筋的布局進行了如下調整。

改進后，前橫梁仍采用封閉結構。外壁使用厚30 mm的鋼板，內部加強筋用厚20 mm的鋼板。為保證與其它相關聯(lián)件的有效配合，結構不變，尺寸不變，改進后其內部用于支撐導軌的橫向垂直加強筋板不變，只改變縱向水平和縱向垂直兩個方向的加強筋數(shù)目和結構。

改進A型:前橫梁的所有工藝孔全部去掉，內部橫向垂直加強筋鋼板厚由25 mm改為20 mm。

改進B型:在A型的基礎上，在前橫梁內部加一縱向水平鋼板，其厚度為20 mm。

改進C型:在A型的基礎上，在前橫梁的內部加一條縱向垂直鋼板，其厚度為20 mm。

改進D型:在A型的基礎上，在前橫梁的內部同時增加一條縱向垂直鋼板和一縱向水平鋼板，厚度均為20 mm。

4 動態(tài)特性分析

由于機床結構動態(tài)特性的好壞直接影響機床的穩(wěn)定性和加工精度等技術指標，又考慮到機床的前幾階模態(tài)特性及機床切削系統(tǒng)的工作頻帶對切削的重要影響，因此著重分析第一階模態(tài)頻率及其所對應的振型。前橫梁9的振動特性見表1。

用有限元方法對前橫梁上面的4種結構進行模態(tài)分析。從表1中可以看出，改進型第一階振型的固有頻率比原前橫梁均有很大提高，根據(jù)ω1=（k1/m1）1/2（式中ω1為固有頻率，k1、m1分別為對應的模態(tài)剛度和模態(tài)質量）可知，改進后的前橫梁動剛度有了顯著提高，達到了對原設計的要求。

改進A型:前橫梁的所有工藝孔全部去掉，內部橫向垂直加強筋鋼板厚由25 mm改為20 mm，前橫梁的動剛度明顯提高。

改進B型:在前橫梁內部加一縱向水平20 mm厚鋼板，盡管振動模態(tài)相對位移量比改進A型小，但是其第一階固有頻率比起改進A型不僅沒有提高，反而有很大下降。由此看出，盡管水平鋼板能夠改善前橫梁的模態(tài)相對位移平均量，但由于前橫梁的質量相對增加比較大，導致改進B型第一階固有頻率降低。

表1 前橫梁的振動特性表

改進C型:在前橫梁的內部加一條縱向垂直20 mm厚鋼板，動剛度高于改進B型，并且振動模態(tài)相對平均位移量較小。可見，僅因為縱向筋板的水平或垂直的方向不同，卻造成其動態(tài)特性有較大的差異。

改進D型:是同時在前橫梁內部增加縱向水平20 mm厚鋼板和縱向垂直20 mm厚鋼板，這時前橫梁的質量比改進B型和C型都大很多。從表一中可以看出，盡管改進D型的振動模態(tài)相對平均位移量很小，但是其動剛度卻比改進C型要弱。

通過上述分析和比較可知，片面的增加縱向筋板并不能顯著改善前橫梁的動態(tài)特性，它是總體結構綜合作用的結果。改進C型的導軌振動模態(tài)相對位移量較小，且其第一階振動頻率較高，綜合看來，改進C型這一方案應是前橫梁最佳內部結構設計。也由此得到Y軸橫梁的最優(yōu)化設計。

5 結語

經研究和分析，發(fā)現(xiàn)該加工中心穩(wěn)定性和加工精度等技術指標與橫梁振動模態(tài)相對位移量大小有關，所以應以橫梁的振動模態(tài)相對位移量的大小作為設計參考的主要依據(jù)，同時還要兼顧機床動剛度的振型等特性指標對機床主要部件結構進行設計研究。

由以上的研究分析最終得到了該橫梁的最優(yōu)設計結構，確保了該加工中心的高精度和高穩(wěn)定。

［1］張惠敏.五軸聯(lián)動數(shù)控機床的設計［J］.機床與液壓，2010（4）:8－10.

［2］方雄文.立式加工中心產品的發(fā)展趨勢［J］.制造技術與機床，2009（12）:47－48.

［3］邢雨，高青玉，李俠.立式車銑加工中心主軸與C軸的自動切換控制［J］.制造技術與機床，2009（12）:57.

［4］賈春德，姜增輝.車銑原理［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2001.

［5］湯文成，易紅，辛研.加工中心床身結構分析［J］.機械強度，1998，20（1）:11－13.