基于有限元法的鏜孔專用機床床身分析

徐協斌，鄧建春，陳祥

(華中科技大學機械科學與工程學院先進制造工藝與裝備工程中心，湖北武漢 430074)

基于有限元法的鏜孔專用機床床身分析

徐協斌，鄧建春，陳祥

(華中科技大學機械科學與工程學院先進制造工藝與裝備工程中心，湖北武漢 430074)

機床床身是機床的核心部件，對提高機床本身機加工精度有著非常重大的意義與影響力。以泵車水箱加工的鏜孔專用機床為研究對象，利用Solidworks軟件進行床身及相關零件的三維造型，再把實體模型導入ANSYS Workbench中進行靜力學和動力學分析。通過不同筋板形式床身的比較，確定合適的筋板布局形式，進而對選定筋板形式的床身結構進行優化分析，最終確定床身的結構。

組合鏜床;靜動態性能分析;有限元;結構優化

機床床身主要是承載滑臺及工件、定位及電氣部件等的主體，就像人的身體一樣，是機床的主要核心部件，是機床的其他部件安裝、固定的基礎，對機床的整體性能具有舉足輕重的作用，它的結構尺寸和布局形式，決定了其本身的動態特性。但現在研究的重點一般都放在機床傳動部件的精密度、床身的剛性、刀具材料的選擇和開發上，機床床身結構及性能很少作為重點對象來研究。如果床身結構設計不合理或剛度不足，會引起床身的各種變形和振動，從而影響整機的性能，工件的加工精度自然不會太高。

床身結構的動靜態性能不僅與筋板的結構、布局有關，也與墊鐵的位置有關，這些因素互相影響。另一方面，床身是機床的大件，其質量占整機質量的很大一部分，合理地設計床身結構，使床身在滿足使用要求的條件下質量最小的優化設計，可降低機床生產成本，提高經濟效益。以下以某組合鏜床的床身為研究對象，運用Solidworks軟件建立床身及相關零件的三維模型，再通過ANSYS Workbench軟件進行靜動態特性分析及床身機構的比較與優化。

1 床身總體靜力學分析

組合機床的整體布局如圖1所示，工件的加工分為初加工和精加工，最后通過測量頭檢測，所以床身的受力狀態是變化的，主要有3個受力位置，即工件滑臺在普通鏜頭處(位置1)、補償鏜頭處(位置2)以及測量頭處 (位置3)。床身通過8個地腳螺栓與地面固定連接，它在3個位置均受到整個工件滑臺部件以及自身的重力，當工件滑臺處于位置1和位置2處，床身還受到鏜削加工時切削力的作用。根據鏜削經驗公式可得，在位置1處，左邊普通鏜頭的主切削力Fe為300 N，背向力 (切深抗力)Fp和進給力(進給抗力)Ff均為180 N;右邊普通鏜頭的主切削力為200 N，背向力和進給力均為120 N。在位置2處，兩個鏜頭的主切削力均為60 N，背向力和進給力均為36 N。

圖1 組合機床整體布局圖

通過Solidworks建立床身及相關零部件的實體模型，省去一些倒角、倒圓以及小孔等，簡化模型以提高計算效率;再導入到ANSYS Workbench中，分別對3個主要受力位置進行靜力學分析。給床身底部的8個地腳螺栓孔施加固定約束，工件滑臺上施加0.01 MPa的面力，總體施加向上的重力加速度，工件滑臺在位置1和位置2處還要施加相應的切削力。滑臺在位置1處的受力變形如圖2所示，它是總體有限元模型的變形圖，從圖中可知，床身的最大變形發生在端部位置。

圖2 床身總體部件有限元模型的變形圖

工件滑臺在3個主要受力位置處時，床身的最大應變及應力如表1所示。床身所受的最大應力很小，而且隨著工件滑臺位置的變化，它的變化也很小。床身最大應變出現在端部位置，且工件滑臺處于位置1時，變形量最小，最大變形量有5.98 μm。

表1 床身總體部件靜力學分析結果

2 床身模態分析與結構比較

2.1 床身模態分析

床身模態分析主要是計算床身的固有頻率，不需要對其施加載荷，把單個的床身模型導入到ANSYS Workbench軟件中，由于床身尺寸過大，為了順利完成有限元計算并提高其效率，采用粗糙的網格劃分。給底部螺栓孔施加固定約束，提取前6階固有頻率和前4階振型，分別如表2及圖3所示。

表2 模態分析結構

圖3 1、2、3、4階振型

由分析結果可知，床身結構低階固有頻率較高，不容易產生共振，但高階固有頻率沒有比低階的大很多。床身結構的抗扭和抗彎能力很強，但是其受載后變形是不均勻的，床身端部的變形量總是比中間部位的大，而且靠近工件滑臺位置1這端的變形量最大。

2.2 床身結構比較

由于床身的最大變形總是發生在端部位置，所以僅考慮其兩端結構不同時，它的變形量和應力大小。

床身端部筋板不同時，它的結構形式有6種，如圖4所示，它們分別為:一條豎筋板、一條橫筋板、兩條斜筋板、兩條橫筋板、兩條豎筋板、一橫一豎兩條筋板。把其分別導入ANSYS Workbench中，施加固定約束和重力加速度，同樣采用粗糙網格劃分模型，計算各結構形式的變形量及應力大小，結構如表3所示。

圖4 不同端部筋板結構形式

表3 不同床身結構的應力應變大小

從表3中可以看出，各種結構的應力都很小，而且差別不大。結構2，亦即床身兩端各只有一條橫筋板時，床身的變形量最小，說明床身的變形不僅與筋板的結構和布置形式有關，還與總體的結構有關。文中采用結構2所示的床身結構。

3 床身結構優化

以下主要對床身中間部位的筋板結構進行優化，在Solidworks中建立三維模型。與筋板厚度參數有關的草圖或特征名稱需要改為不含中文和空格的名字，參數也需要以ds為前綴，如:ds_001。保存文件之后，把模型導入到Workbench中，然后進行靜力分析，得到最大變形量和最大應力，因為各種床身結構的應力都很小，所以只把應變設為優化分析的輸出參數。把Solidworks中設置的筋板厚度參數設為輸入參數，有中間部分筋板厚度參數ds_01及兩邊筋板厚度參數ds_02兩個，而且它們原始值均為15 mm，最后設置參數邊界，下邊界設為10 mm，上邊界設為20 mm。設置優化目標，更新設計點，得到優化目標(變形量)與兩個優化參數 (筋板厚度)間的三維響應曲面，如圖5所示，圖中x、y坐標分別為優化參數ds_01和ds_02，z坐標為床身變形量。

最后得到優化后的輸入參數為:ds_01為19.997 mm，ds_02為11.91 mm，床身優化前后的質量、基頻頻率以及變形量的比較如表4所示。

從表4中可知，床身結構優化之后，它的質量有微量的減少，可以忽略不計;它的基頻頻率減少的比率也只有0.47%，對床身動態性能影響不大;但優化后的床身變形量減少了將近2%，這使機床的加工精度能夠有一定的提高。

圖5 優化參數響應曲面

表4 優化前后床身結構性能比較

4 結束語

機床床身是機床上其他部件安裝、固定的基礎，是機床的核心部件，對提高機床本身機加工精度有重要的意義。為了排屑方便以及減輕整體質量，床身結構一般由主體框架和加強筋組成。床身的變形不僅與筋板的結構和布置形式有關，還與總體的結構有關。盲目增加筋板數量及厚度并不一定能提高床身的機械性能，反而會增加成本，所以需要通過有限元法對其進行動靜態分析和優化計算來確定它的合理結構形式和參數。

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Analysis of Dedicated Machine Tool Body for Boring Based on Finite Element Method

XU Xiebin，DENG Jianchun，CHEN Xiang
(Center of Advanced Manufacturing and Equipment Engineering，School of Mechanical Science＆Engineering，Huazhong University of Science＆Technology，Wuhan Hubei 430074，China)

The machine tool body is the core components of machine tool，and has a great significance and influence to improve the machining accuracy of machine tool.By taking a research object of the dedicated boring machine tool for the water tanks processing of pump truck，the three dimensional(3D)model of machine tool body and related parts were built by Solidworks software，then the entity models were imported into ANSYS Workbench for statics and dynamics analysis.By comparison of the machine tool body with different ribs form，the appropriate form of ribs layout was determined.Thus the structure optimized analysis of machine tool body with selected the ribs form is done，and the structure of machine tool body is determined ultimately.

Combined boring machine tool;Static and dynamic performance analysis;Finite element;Structural optimization

TG65;TB121

A

1001－3881(2014)9－127－3

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.09.035

2013－04－24

國家科技支撐項目 (02－07－100011)

徐協斌 (1989—)，男，碩士研究生，研究方向為組合機床設計及分析。E－mail:xuxiebin522@163.com。通訊作者:鄧建春，E－mail:jianchundengcom@yahoo.cn。