定梁式數(shù)控龍門鏜銑床橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

尹 宏，孫 棟，張 萍，楊旭東

（1.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽 550025；2.貴州理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，貴陽 550003；3.貴州民族大學(xué) 理學(xué)院機(jī)械系，貴陽 550025）

0 引言

橫梁是龍門機(jī)床的重要部件，橫梁體三維模型如圖1所示，橫截面剖視圖如圖2所示。其本身是一個(gè)彈性系統(tǒng)，且跨距較大，在重力、切削力、夾緊力等的作用下，除了產(chǎn)生零件自身變形外，還引起溜板、滑枕等零件各接觸面之間的接觸變形，各部分變形綜合作用的結(jié)果使得刀尖軌跡發(fā)生變化，造成刀具和工件的相對(duì)位移，從而影響加工精度。

圖1 橫梁體三維模型

圖2 橫梁體截面圖

在實(shí)際工況中，橫梁兩端分別與左右立柱緊固，溜板與橫梁結(jié)合的上導(dǎo)軌面采用滾動(dòng)塊與蝶簧組合，溜板后壓板面及溜板與橫梁結(jié)合的內(nèi)導(dǎo)軌面鑲滾動(dòng)塊，其他導(dǎo)軌結(jié)合面貼氟塑軟帶，由交流伺服電機(jī)及滾珠絲杠螺母副驅(qū)動(dòng)溜板水平移動(dòng)。滑枕及溜板結(jié)合導(dǎo)軌采用聚四氟乙烯軟帶滑動(dòng)導(dǎo)軌，由交流伺服電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)滑枕沿溜板導(dǎo)軌作上、下移動(dòng)，如圖3所示。

圖3 橫梁與溜板、滑枕裝配模型

1 建立有限元模型

在做有限元分析時(shí)，通常要對(duì)幾何模型進(jìn)行適當(dāng)簡化，否則將大幅度增加網(wǎng)格數(shù)量、延長計(jì)算時(shí)間，甚至導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果錯(cuò)誤或無法收斂。因此，在保證分析精度的前提下，為了盡量降低計(jì)算成本，本文對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮喕Ｔ诖嘶A(chǔ)上依次定義部件材料、相互接觸關(guān)系及載荷，并劃分網(wǎng)格。裝配體網(wǎng)格模型如圖4所示。

圖4 裝配體網(wǎng)格模型

2 有限元分析

分別研究橫梁在自重下及實(shí)際工況下的變形情況，橫梁由自重引起的最大變形量為1.372×10-2mm，如圖5所示。在極端工況下的最大變形量為3.531×10-2mm，如圖6所示。由此可見，橫梁體導(dǎo)軌的接觸變形約占整個(gè)變形量的61%，因此導(dǎo)軌是橫梁體結(jié)構(gòu)最重要也是最薄弱的環(huán)節(jié)，因根據(jù)其承載特點(diǎn)確定合理的承載結(jié)構(gòu)。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

圖5 橫梁體自重下的合位移分布云圖

圖6 橫梁體極端工況下的合位移分布云圖

基于上述橫梁體分析，本文對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期達(dá)到提高性能、降低重量的目的。就材料而言，鋼板焊接橫梁具有傳統(tǒng)鑄鐵件無可比擬的優(yōu)勢，但鑒于實(shí)際生產(chǎn)需求，且為了和原有結(jié)構(gòu)形成對(duì)比，本文仍然采用HT300作為橫梁體材料。首先使用ABAQUS進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，分析其材料分布趨勢，從圖7所示迭代過程可以看到，迭代開始時(shí)，主要去除支撐面及其兩側(cè)的材料，其次移除橫梁體后上部材料移除，內(nèi)部筋板也隨之呈三角形結(jié)構(gòu)。之后，結(jié)合相應(yīng)的設(shè)計(jì)原則及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)進(jìn)一步完善優(yōu)化結(jié)構(gòu)。鑄造橫梁體壁厚取30mm，在凸臺(tái)和導(dǎo)軌等的連接處，壁厚適當(dāng)加厚。通過分析不同截面形狀的力學(xué)性能，結(jié)合橫梁體的承載特點(diǎn)，本文提出一種新的橫梁結(jié)構(gòu)形式，如圖8所示。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是剛性好、結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)約材料等。

圖7 優(yōu)化迭代過程

為了驗(yàn)證優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果的合理性，采用有限元法對(duì)其進(jìn)行分析并比較優(yōu)化前后的結(jié)果。由于橫梁截面形狀發(fā)生了變化，需要對(duì)溜板進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，滑枕、主傳動(dòng)箱結(jié)構(gòu)保持不變。

圖8 優(yōu)化后的橫梁體

將優(yōu)化后的模型導(dǎo)入到ABAQUS，為其設(shè)定與優(yōu)化前分析模型相同的材料屬性、相同的分析步、相同的相互作用、相同的邊界條件、相同的網(wǎng)格尺寸及網(wǎng)格類型，分別就橫梁體、橫梁組件的靜、動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析。橫梁體極端工況下的合位移分布云圖如圖9所示。驗(yàn)證表明，優(yōu)化后的橫梁體在重量減輕35.70%的同時(shí)，變形及應(yīng)力分布均得到較好的改善，一階固有頻率提高37.93%，優(yōu)化方案合理可行。靜態(tài)特性及動(dòng)態(tài)特定均得到較好的改善，優(yōu)化方案合理可行。優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比如表1所示。

圖9 橫梁體極端工況下的合位移分布云圖

表1 橫梁體優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比

4 結(jié)束語

本文通過建立定梁式數(shù)控龍門鏜銑床橫梁部件三維模型，采用有限元分析的方法對(duì)其在實(shí)際工況下的靜、動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行系統(tǒng)研究，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出一種合理可行的優(yōu)化方案，使橫梁提高性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，有效降低生產(chǎn)成本，提升整機(jī)品質(zhì)。

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