數(shù)控落地銑鏜床滑座的模態(tài)分析及優(yōu)化

李軍，王曉楓

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，安徽合肥 230009)

數(shù)控落地銑鏜床滑座的模態(tài)分析及優(yōu)化

李軍，王曉楓

(合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，安徽合肥 230009)

車(chē)床床身是整臺(tái)機(jī)床的基礎(chǔ)和支架，其振動(dòng)和剛度影響著零件的加工精度。利用SolidWorks建模，并運(yùn)用ANSYS Workbench進(jìn)行數(shù)控落地銑鏜床滑座的前6階模態(tài)分析，得到滑座的固有頻率、振型及動(dòng)態(tài)特征；在保證車(chē)床靜剛度的前提下，提出3種優(yōu)化方案，對(duì)優(yōu)化前后的模型進(jìn)行對(duì)比分析，找出最優(yōu)方案，為車(chē)床的設(shè)計(jì)提供新的思路和方法。

數(shù)控落地銑鏜床滑座;模態(tài)分析;優(yōu)化

Abstract:Lathe bed is the support and foundation of the whole machine tools, its vibration and stiffness affect the machining precision of parts. SolidWorks was used to model, and ANSYS Workbench was used to make the former six stages modal analyses of the CNC floor-type milling and boring machine slide. The dynamic characteristics, vibration mode and natural frequency of the slide were extracted. In the premise of ensuring static stiffness of the machine tool, three kinds of optimization scheme were put forward. Contrast analysis was carried out on the modified before and after optimization. The optimal scheme is found, which provides new idea and method for the design of the lathe.

Keywords:Slide of CNC floor-type milling and boring machine;Modal analysis; Optimization

0 引言

目前,研究機(jī)床床身動(dòng)態(tài)性能的方法主要是模態(tài)分析法,模態(tài)分析研究的主要內(nèi)容是確定機(jī)床床身的振動(dòng)特性即固有頻率和主振型,它們是承受動(dòng)載荷的重要參數(shù)。通過(guò)模態(tài)分析可以判斷振型是否影響加工精度,根據(jù)此數(shù)據(jù)還可對(duì)機(jī)床床身進(jìn)行優(yōu)化。

我國(guó)目前的研究主要是針對(duì)進(jìn)口機(jī)床部件的動(dòng)態(tài)性能分析，主要還是學(xué)習(xí)國(guó)外先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，在設(shè)計(jì)上多半還是借鑒國(guó)外的機(jī)床結(jié)構(gòu)，真正從動(dòng)態(tài)性能考慮設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)還是比較少，還需多為設(shè)計(jì)提供更多有效的動(dòng)態(tài)性能的客觀數(shù)據(jù)，從而真正將其應(yīng)用到機(jī)床的優(yōu)化設(shè)計(jì)中去。

1 模型的建立及劃分網(wǎng)格

幾何建模是有限元分析的基礎(chǔ)。ANSYS軟件雖有建模功能，但相對(duì)于CAD軟件強(qiáng)大的建模功能，ANSYS就顯得繁瑣，因此ANSYS軟件提供了與CAD軟件數(shù)據(jù)接口，可直接把CAD軟件中建立的模型導(dǎo)入ANSYS中。先在SolidWorks中創(chuàng)建滑座模型，后經(jīng)PARA的X_T格式導(dǎo)入ANSYS中，再用ANSYS進(jìn)行網(wǎng)格劃分、加載求解與后處理，這樣不僅可以保證計(jì)算精確，且在很大程度上提高了效率。

(1)根據(jù)現(xiàn)有的零件測(cè)繪出零件的各個(gè)尺寸，然后在SolidWorks中繪出模型的三維圖，見(jiàn)圖1。

(2)進(jìn)行網(wǎng)格劃分。設(shè)置網(wǎng)格質(zhì)量為中等，然后就可以進(jìn)行網(wǎng)格劃分，結(jié)果見(jiàn)圖2。

網(wǎng)格劃分完成后需要對(duì)劃分的網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查，確定所進(jìn)行的劃分是否符合標(biāo)準(zhǔn)，一般情況下大于0.8的就算不合格。質(zhì)量檢查結(jié)果見(jiàn)圖3，可見(jiàn)網(wǎng)格劃分質(zhì)量是合格的。

2 模態(tài)分析及優(yōu)化

(1)根據(jù)滑座的實(shí)際工作情況，對(duì)滑座的3個(gè)地面施加約束，見(jiàn)圖4。

(2)進(jìn)行模態(tài)分析，此次分析只進(jìn)行前6階低階頻率的模態(tài)分析，結(jié)果見(jiàn)圖5。

數(shù)控落地銑鏜床滑座的一階模態(tài)是上下方向變形；二階模態(tài)是上下方向的彎曲變形，且變形僅發(fā)生在左部，屬于局部變形；三階模態(tài)是上下方向曲面變形，是發(fā)生在右邊的局部彎曲變形；四階模態(tài)開(kāi)始出現(xiàn)較大范圍的彎曲變形，床身已經(jīng)相當(dāng)扭曲；五階模態(tài)是床身右部嚴(yán)重彎曲，底板有輕微程度的形變；六階模態(tài)是機(jī)床床身完全扭曲變形，變形范圍已經(jīng)波及到整個(gè)床身。

通過(guò)模態(tài)分析，得出數(shù)控落地銑鏜床滑座的前6階低階頻率，分析出該頻率下機(jī)床床身的形變，為接下來(lái)進(jìn)行的優(yōu)化分析做參照。結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 優(yōu)化前的頻率

完成前面6個(gè)階段的模態(tài)分析，進(jìn)行優(yōu)化，共分析9個(gè)典型的點(diǎn)，見(jiàn)圖6。

3 結(jié)論

對(duì)所得出的優(yōu)化方案進(jìn)行分析選取最優(yōu)方案，得出3種優(yōu)化可行方案，對(duì)比見(jiàn)表2。

表2 優(yōu)化方案

由表2可以比較直觀地看出優(yōu)化前后幾組數(shù)據(jù)的變化，考慮到形變、頻率的影響以及對(duì)機(jī)床床身整體剛度的影響，方案一還是較其他方案更合理。將方案一的結(jié)果還原到模型中再進(jìn)行模態(tài)分析,得到結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 優(yōu)化后的頻率

通過(guò)對(duì)比可以看到:雖然前6階固有頻率只是略微地提高了點(diǎn)，但是節(jié)約了材料,減輕了機(jī)床的質(zhì)量，而且沒(méi)有降低其他的性能。

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【9】 陳安寧，董衛(wèi)平.振動(dòng)模態(tài)分析技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1993.

ModalAnalysisandOptimizationforSlideofCNCFloor-typeMillingandBoringMachine

LI Jun， WANG Xiaofeng

(Hefei University of Technology, Hefei Anhui 230009, China)

2014-03-24

李軍(1989—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)閿?shù)字化設(shè)計(jì)與制造。E-mail：1092630732@qq.com。