數控龍門銑床滑枕的動態特性分析及改進*

胡汝凱，黃美發，張奎奎，楊武軍

(1.桂林電子科技大學 機電工程學院，廣西 桂林 541004；2.桂林機床股份有限公司，廣西 桂林 541004)

數控龍門銑床滑枕的動態特性分析及改進*

胡汝凱1，黃美發1，張奎奎1，楊武軍2

(1.桂林電子科技大學 機電工程學院，廣西 桂林 541004；2.桂林機床股份有限公司，廣西 桂林 541004)

滑枕是數控龍門銑床中必不可少的關鍵零部件，也是影響機床加工精度的薄弱環節。采用有限元分析軟件ANSYSworkbench對現有的方滑枕進行模態分析，在三維實體模型的基礎上建立模態分析的有限元模型，研究滑枕的無阻尼自由振動，求解得出滑枕的前六階固有頻率和主振型。經過對分析結果的研究發現方滑枕低階頻率接近于滑枕內部主軸的激振頻率，容易引起滑枕與滑枕內部主軸共振。為了解決現有方滑枕因低階頻率偏低而引起的滑枕與主軸共振的問題，設計了一種圓滑枕，通過分析求解得出圓滑枕的前六階固有頻率相對于方滑枕的前六階固有頻率大幅提高。

數控龍門銑床；方滑枕；模態分析；固有頻率；圓滑枕

0 引言

對于大型數控龍門機床來說，基礎部件必須具有足夠的剛度、良好的抗振性。滑枕連接主軸和橫梁，是龍門銑床中的必不可少的基礎部件，機床采用主軸滑枕結構主要目的在于增強機床的動剛度，適應大型零件的強力切削[1]?；淼膭討B性能直接影響整個機床的加工精度、精度穩定性和抗振性。在機床工作過程中，如果切削力頻率恰好和滑枕某一固有頻率接近，滑枕可能會產生共振，進而影響切削運動的穩定性[2]。因此有必要采用有限元方法研究滑枕的動態特性[3]，為滑枕的優化設計提供依據。

文獻[4]采用有限元和試驗的方法，對TX6916 落地鏜銑床方滑枕進行了動態特性分析。文獻[5]在完成靜態分析的前提下對方滑枕進行模態分析，針對原設計提出了幾種改進措施對滑枕進行結構優化，通過具體實施及工程測試，機床的動態性能大大提高，滿足高速、大功率切削的加工要求．文獻[6]通過研究高速立式鏜銑加工中心滑枕動態特性發現滑枕上端和其與絲杠的接觸部位剛度較弱。在對滑枕進行優化設計時可以通過合理布置加強筋以及結構優化來提高這兩個部位的剛度。文獻[7]提出以其研究對象的質量為目標函數，以它的尺寸、應力以及一階固有頻率為約束條件，實現了框架的優化過程。在準確建立滑枕實體模型和模態分析的基礎上，分析了影響加工中心加工性能的關鍵因素，并建立滑枕的優化模型。優化后的滑塊模態分析結果表明，滑枕的動態性能有了有效的提高，為實現加工中心優良的加工性能提供了支持。文獻[8]對現有滑枕的結構進行改進設計，提高了滑枕的前10階固有頻率，有效的避免了滑枕與其他零部件發生共振。

本文在建立方滑枕三維模型的基礎上建立方滑枕的有限元模型。根據方滑枕在機床工作過程中的運動形式對其進行合理的約束。將約束和載荷作為模態分析的邊界條件，進行模態分析即是求解振動系統的固有頻率和振型[9]。通過對分析結果的研究發現方滑枕的低階頻率偏低，尤其是前兩階。為了提高滑枕的低階固有頻率，避免產生共振。本單位自主設計了一種新型圓滑枕。運用上述方法對圓滑枕進行動態性能分析，結果顯示低階固有頻率大幅提高。

1 動態特性分析的理論基礎

在結構動力學問題中固有頻率和主振型是動力學問題分析的基礎。模態分析用于確定設計中的結構或機器部件的振動特性，即固有頻率和主振型。主振型指的是該振動系統以此階固有頻率振動時各自由度之間振幅值的比例關系和一定的相位關系[10]。

一般情況下，多個自由度系統的振動微分方程用矩陣表示為以下形式[10]:

(1)

分析無阻尼的系統的頻率和振型問題就是模態分析，其微分方程的解是耦合的，互相耦合的N自由度系統方程經正交變化成為模態坐標下相互獨立的N自由度系統的方程組，解耦后的第i個方程為：

(2)

式中：Ki為模態剛度；Mi為模態質量；Ci為模態阻尼；φji為模態振型。

從上式中可知，采用模態坐標后N自由度系統的響應相當于在N個模態坐標下單自由度系統的響應之和。采用歸一化方法使模態質量歸一，記模態質量歸一化振型為φ，即：

(3)

2 方滑枕模態分析

根據設計和加工要求，滑枕材料使用HT300，材料屬性如表1所示。

表1 相關材料屬性

根據上述理論方程及數學模型，在滑枕伸出最長時，利用solidworks對滑枕進行建模，除去一些不必要的圓角和倒角，然后導入到ANSYSworkbench中，忽略溫度的影響，按自由網格對其進行網格劃分，建立其有限元模型如圖1所示。

圖1 方滑枕有限元模型

固有頻率和振型是研究結構動態特性的重要參數，低階頻率和相應的振型對結構的動態特性起決定作用[11]。該數控龍門銑床主軸最高工作轉速為3000r/min，高階模態的頻率已高于可能出現的激振頻率，對于加工質量的影響不大，只有滑枕的低階固有頻率才有可能與整個機床或滑枕內部主軸的固有頻率接近或重合產生共振，所以只研究滑枕前六階模態。通過分析求解，前六階模態振型如圖2所示。前六階模態分析結果如表2所示。

圖2 方滑枕前六階振型圖 表2 方滑枕前六階固有頻率及振型描述

階數固有頻率(Hz)模態振型166.317滑枕前端沿Y向擺動269.599沿X方向擺動繞Z軸輕微扭轉3141.94繞Z軸扭轉4143.44滑枕基本不振動5270.5沿X方向彎曲繞Z軸輕微扭轉6312.52沿Y方向彎曲

當滑枕的固有頻率與滑枕內的主軸旋轉時產生的激振頻率相接近時將會產生共振，嚴重影響機床的加工精度。該數控龍門銑床的轉速在5～3000r/min,由公式

(4)

計算可得，主軸激振頻率范圍為0.0833～50Hz，這與方滑枕的第一、第二階固有頻率比較接近。因此，方滑枕與主軸有可能發生共振而降低機床的加工精度。

3 圓滑枕結構簡介

為了更好的避免滑枕與主軸產生共振，提高滑枕的低階固有頻率，本單位自主設計了一種新型圓滑枕，其內部的主軸由力矩電機直接驅動。材料仍是HT300。如圖3所示為該圓滑枕的三等軸視圖，圖4為圓滑枕的剖面試圖，從圖中可以看出圓滑枕主要包括的零部件有圓滑枕基體1、刀具夾套2、聯軸器3、主軸4、力矩電機(力矩電機水套5、力矩電機定子6、力矩電機轉子7)、轉子內套8、液壓系統9、滑枕滑座10、深溝球軸承11、角接觸球軸承12、頂桿13、滑枕蓋14。

圖3 圓滑枕三等軸視圖

圖4 圓滑枕剖面試圖

4 圓滑枕模態分析

將在solidworks中建立的圓滑枕三維模型導入到ANSYSworkbench中進行自由網格劃分后得到的圓滑枕有限元模型如圖5所示。

圖5 圓滑枕有限元模型

通過分析求解，前六階模態振型如圖6所示。前六階模態分析結果如表3所示。

圖6 圓滑枕前六階振型圖 表3 圓滑枕前六階固有頻率及振型描述

階數固有頻率(Hz)模態振型1138.17滑枕前端沿X向擺動2147.72滑枕前端沿Z向擺動3374.92繞Y軸扭轉沿Z向輕微擺動4440.94滑枕后端沿Z向擺動5452.9沿X方向彎曲6500.89沿Z方向彎曲

通過對分析結果的研究不難看出，圓滑枕的前六階固有頻率相對于方滑枕的前六階固有頻率大幅提高，兩種滑枕的振型基本保持一致，對比結果如圖7所示。這就完全避免了滑枕和其內部主軸發生共振的可能。

圖7 圓滑枕方滑枕前6階固有頻率對比圖

5 結論

通過建立滑枕結構有限元模型，以 ANSYSworkbench 軟件為分析平臺，實現了主軸滑枕結構動力學分析可得到下列結論:

(1)求解出了現有方滑枕模態的前六階固有頻率和主振型，發現其與滑枕內部的主軸的激振頻率相近，有可能產生共振，降低機床加工精度。

(2)設計了一種新型直驅式的圓滑枕，并通過分析發現它的前六階模態固有頻率相對于現有的方滑枕而言大幅提高，可以很好的避免滑枕與主軸發生共振，從而更好的保障機床的加工精度。

(3)上述分析結果同時也為滑枕系統結構優化設計提供了基礎數據，也為滑枕結構設計提供了方向，這也是下一步研究工作的重點。

[1] 程渤,殷國富.龍門加工中心主軸滑枕結構有限元分析技術研究[J].組合機床與自動化加工技術,2011(6):12-13.

[2] 李修平.基于ANSYS的高速加工中心有限元分析[D].武漢:華中科技大學,2005.

[3] Lin Chiwei,Jay F T,Joe Kamman.An integrated thermo-mechanical-dynamic model to characterize motorized machine tool spindles during very highspeed rotation[J].International Journal of Machine Tools&Manufacture,2003,43 :1035-1050.

[4] 呂建法,閆兵,李柏林,等.數控銑床滑枕有限元分析及試驗研究[J]．機械設計與制造,2010(5):185-187.

[5] 陳水勝,徐旭,華中平,等. XK2535數控龍門銑床滑枕動態特性研究[J].湖北工業大學學報,2013,28(2):95-98.

[6] 叢 明,王貴飛,宋 健.高速立式鏜銑加工中心滑枕動態特性有限元分析[J].組合機床與自動化技術,2011(6):1-4.

[7] 周大帥,伍良生,陳永波.基于模態分析的壓榨機框架的優化設計[J].機械設計與制造,2009(6):186-189.

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[10] 劉習軍,賈啟芬.工程振動理論與測試技術[M].第四版.北京:高等教育出版社,2004.

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(編輯 李秀敏)

Dynamic Characteristics Analysis and Imprvoed Design of the Ram of CNC Planer Type Milling Machine

HU Ru-kai1,HUANG Mei-fa1,ZHANG Kui-kui1,YANG Wu-jun2

(1.School of Mechanical & Electrical Engineering, Guilin University of Electronic Technology, Guilin Guangxi 541004, China；2.Guilin Machine Tool Co.,LTD,Guilin Guangxi 541004,china)

Ram is a key and necessary part and is also the weak link of the machining precision in a CNC planer type milling machine. We adopt finite element analysis software ANSYS workbench to analyze the modal of square ram by establish the finite element model of 3D solid model. We research the undamped free vibration of the ram and solve the fronts of sixth order natural frequency and principal model. The analysis results show that the fronts of sixth order natural frequency are close to the excitation frequency of the spindle. And this could easily cause the resonance between the ram and the spindle. We designed a new type of round ram to enhance the fronts of sixth order natural frequency.

CNC planer type milling machine; square ram; modal analysis; natural frequency; round ram

1001-2265(2014)05-0043-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.05.011

2013-09-13；

2013-10-15

2011年廣西制造系統與先進制造技術重點實驗室主任課題 (桂科能11-031-12-002)；數控滑枕床身雙面銑床開發(桂科攻11107002-29)

胡汝凱(1986—)，男，江西宜春人，桂林電子科技大學碩士研究生，研究方向為數控機床開發與精度設計，(E-mail)hrk1128@163.com；黃美發(1962—)男，廣西人，桂林電子科技大學博士，博導，研究方向為數控機床開發及機床精度、新一代GPS理論，(E-mail)hmhmf@guet.edu.cn。

TH166;TG502.3

A