高速立式加工中心床身結(jié)構(gòu)改進(jìn)及不同工況下的分析*

高東強 王 偉 陳超群 孫 倩 張希峰

(陜西科技大學(xué)機電工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

隨著制造技術(shù)和工藝水平的提高，加工中心作為制造業(yè)的母機，越來越受到重視和研究，是現(xiàn)代數(shù)控機床技術(shù)的集中體現(xiàn)，反映了一個國家的制造技術(shù)水平，也成為當(dāng)前和未來數(shù)控機床搶占的前沿領(lǐng)域。床身作為立式加工中心的主要承載部件，對加工中心起支撐作用，因此對床身的性能的研究就顯得十分重要［1］。

1 立式加工中心床身結(jié)構(gòu)改進(jìn)

1.1 原床身結(jié)構(gòu)

床身是高速立式加工中心的基礎(chǔ)部件，對加工中心起到支撐的作用，如圖1 所示，復(fù)合筋床身采用圓形孔筋和縱橫肋條相結(jié)合，各方面能均勻收縮，內(nèi)應(yīng)力小［2］。

1.2 拓?fù)鋬?yōu)化

在拓?fù)鋬?yōu)化過程中，其分析類型選擇“Shape Optimization”，給立柱和床身的接觸面施加12500 N 的力，在X、Y、Z 這3 個方向上，給滑座和床身的接觸面處分別添加783 N，1620 N，8000 N 的力，優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置為30%，分析結(jié)束后優(yōu)化結(jié)果如圖2 所示［3］。

從拓?fù)鋬?yōu)化密度云圖看出來，偽密度為1 的材料主要出現(xiàn)在圖2 中圈出區(qū)域，這些材料表示為可以去除的，而其他部分是建議保留的。由于床身是立式加工中心的基礎(chǔ)部件，所以不是說只要是偽密度為1 的材料就都可去除，必須要考慮結(jié)構(gòu)的完整性和美觀度，可以適當(dāng)對偽密度為1 部分的床身結(jié)構(gòu)材料進(jìn)行優(yōu)化［4］。

床身底座的底板和靠近立柱的床身側(cè)的偽密度為1 部分的面積相對較大，針對這一部分的結(jié)構(gòu)，可以調(diào)整底板上孔徑的大小，通過增大孔徑的面積來減少一定的底板材料。

1.3 床身結(jié)構(gòu)改進(jìn)

依據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果，將結(jié)果中偽密度為1 部分的床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)。其具體改進(jìn)方法如下:

(1)將靠近立柱一邊的側(cè)面挖出兩個對稱的出砂孔，其直徑和其他的出砂孔一樣都為55 mm，這樣不但可以使床身在結(jié)構(gòu)上更合理，也使得在床身鑄造過程中更好地成型。改造后的床身如圖3 所示。

(2)由于床身底部與地面接觸，不會出現(xiàn)很大的振動或者剛度問題，因此根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，將底部的三角形筋格的面積增大，這樣既能減少床身的質(zhì)量，也能適當(dāng)提高床身結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能。改造后的床身如圖4 所示。

2 床身不同工況下的比較分析

2.1 工作臺不同工況下的分析

由于機床在加工過程中，工作臺和滑座不是固定的，它會隨著加工的需要來回移動，同時工作臺處于不同的工作位置時，對床身造成的沖擊和載荷是不一樣的。因此針對這種情況，我們將工作臺假設(shè)在3 個極限工況位置;左極限工況、居中工況、右極限工況［5］，其中當(dāng)工作臺處于左極限工況時，簡圖如圖5 所示。

2.2 原復(fù)合筋床身結(jié)構(gòu)3 種極限工況下的分析

(1)機床工作臺左極限工況

在工作臺處于左極限位置時，對床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，床身的左邊導(dǎo)軌上經(jīng)過分析可知它在垂直方向的受力大小為4650 N，X、Y 兩個方向分別為457 N和1620 N，床身右邊導(dǎo)軌上，其垂直方向的受力大小為3350 N，X、Y 兩個方向分別為457 N 和1620 N。經(jīng)過求解得出床身X、Y、Z 這3 方向的變形圖以及總變形云圖如圖6 所示。

通過觀察左極限工況下的靜力分析可以得到它們的最大變形量如表1 所示。

(2)工作臺居中工況

工作臺居中工況時對床身結(jié)構(gòu)的有限元分析方法、步驟和機床工作臺左極限工況的床身的分析過程一樣，這里不再重復(fù)敘述。但是在該工況下，床身的左邊導(dǎo)軌上經(jīng)過分析可知，它在垂直方向的受力大小為4000 N，X、Y 兩個方向分別為457 N 和1620 N，床身右邊導(dǎo)軌上，其垂直方向的受力大小為4000 N，X、Y兩個方向分別為457 N 和1620 N，求解后的位移云圖也與工作臺左極限工況相似，該結(jié)構(gòu)床身的位移變形量見表2 所示。

表1 工作臺左極限時床身的最大變形量 μm

表2 工作臺居中時的最大變形量 μm

(3)工作臺右極限工況

工作臺右極限工況時，床身的左邊導(dǎo)軌上經(jīng)過分析可知它在垂直方向的受力大小為3350 N，X、Y 兩個方向分別為457 N 和1620 N，床身右邊導(dǎo)軌上，其垂直方向的受力大小為4650 N，X、Y 兩個方向分別為457 N 和1620 N，求解后的位移云圖也與工作臺左極限工況相似，該結(jié)構(gòu)的床身結(jié)構(gòu)的位移變形量見表3 所示。

表3 工作臺右極限時的最大變形量 μm

3 改進(jìn)后復(fù)合筋床身結(jié)構(gòu)不同工況分析

(1)工作臺左極限工況

在左極限工況時，對改進(jìn)后的復(fù)合筋床身結(jié)構(gòu)的靜力分析，其有限元前期處理和導(dǎo)軌的受力與原床身結(jié)構(gòu)分析時都一樣，經(jīng)過求解得出床身X、Y、Z 這3 方向的變形圖以及總變形云圖如圖7 所示。

通過觀察左極限工況下的靜力分析可以得到它們的最大變形量如表4 所示。

表4 工作臺左極限時的最大變形量 μm

(2)工作臺居中工況

工作臺居中工況時對床身結(jié)構(gòu)的分析與機床工作臺左極限工況的床身的分析過程一樣，我們在這里就不再重新敘述。同時其加載形式和大小、位移云圖也相似，該結(jié)構(gòu)的床身結(jié)構(gòu)的位移變形量見表5 所示。

表5 工作臺居中時的最大變形量 μm

(3)工作臺右極限工況

工作臺右極限工況時，該結(jié)構(gòu)床身的位移變形量見表6 所示。

表6 工作臺右極限時的最大變形量 μm

4 改進(jìn)前后床身結(jié)構(gòu)在不同工況下的比較分析

通過對改進(jìn)前后復(fù)合筋床身結(jié)構(gòu)在3 種不同工況下的靜力分析可知，當(dāng)工作臺處于左極限工況時，改進(jìn)后床身結(jié)構(gòu)的變形量在X、Y、Z 這3 個方向上均有一定的減小，同時總位移變形量也從原來的1.6618 μm減小為1.6236 μm，說明改進(jìn)后床身結(jié)構(gòu)的靜態(tài)性能得到提高。

當(dāng)工作臺處于居中工況時，改進(jìn)后床身結(jié)構(gòu)的變形量在X、Y、Z 這3 個方向上均有一定的減小，同時總位移變形量也從原來的1.7216 μm 減小為1.6884 μm，說明改進(jìn)后的床身結(jié)構(gòu)的靜態(tài)性能得到提高。

當(dāng)工作臺處右極限工況時，改進(jìn)后床身結(jié)構(gòu)的變形量在X、Y、Z 這3 個方向上均有一定的減小，同時總位移變形量也從原來的1.7831 μm 減小為1.747 μm，說明改進(jìn)后的床身結(jié)構(gòu)在該工況下的靜態(tài)性能得到提高。

通過上面的比較分析可以得知，改進(jìn)后的床身結(jié)構(gòu)在不同工況下，其靜態(tài)性能都是得到了提高。當(dāng)工作臺處于右極限工況時，床身結(jié)構(gòu)在各個方向的變形量都最大，所以工作臺處于右極限工況時，其單位靜剛度最小，但是相比同類型的床身結(jié)構(gòu)來說它滿足床身精度要求。因此可以說床身結(jié)構(gòu)在極限工況下的靜態(tài)性能符合要求。

5 結(jié)語

對復(fù)合筋床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果對其進(jìn)行改進(jìn)，得到理論上較優(yōu)的床身模型，通過對工作臺處于3 種不同工況進(jìn)行分析，然后對改進(jìn)后的復(fù)合筋床身結(jié)構(gòu)在3 種不同工況下進(jìn)行靜力分析，通過分析結(jié)果可知改進(jìn)后的床身結(jié)構(gòu)的靜態(tài)性能在3 種工況下都得到提高，同時得出當(dāng)工作臺處于右極限工況時，床身的變形量最大，但總體上其性能是符合要求的。

［1］汪宇，王東方.基于AnsysWorkbench 的立式加工中心床身有限元分析和優(yōu)化設(shè)計［J］.制造業(yè)自動化，2009(9):129 -131.

［2］文懷興，陸君，呂玉清.高速立式加工中心主軸箱結(jié)構(gòu)設(shè)計及分析［J］，中國制造業(yè)信息化，2010(10):37 -38.

［3］高東強，毛志云，張功學(xué)，等.DVG850 工作臺靜、動態(tài)特性分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)［J］.機械設(shè)計與制造，2011(3):146 -147.

［4］林歡，高東強，張菲，等.高速立式加工中心工作臺的有限元分析和拓?fù)鋬?yōu)化［J］.陜西科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2012(5):96 -99.

［5］楊曼云.基于有限元分析技術(shù)的VK50 數(shù)控床身銑機床底座設(shè)計［J］.機床與液壓，2008，15(1);62 -65.