數控龍門鏜銑床龍門框架結構優化設計

李紹萍，王元倫，彭梁鋒，張文坤

（沈機集團昆明機床股份有限公司,昆明650203）

數控龍門鏜銑床龍門框架結構優化設計

李紹萍，王元倫，彭梁鋒，張文坤

（沈機集團昆明機床股份有限公司,昆明650203）

針對某大、重型龍門移動式數控龍門鏜銑床，運用有限元分析技術進行動靜態特性分析，找出薄弱環節。對龍門框架結構中最薄弱的橫梁大件進行優化設計，從設計層面提高龍門框架的動靜態性能。

數控龍門鏜銑床；有限元分析；龍門框架；橫梁

1 引言

對于大、重型龍門移動式數控龍門鏜銑床而言，影響整機靜動態性能最關鍵的結構就是龍門框架結構。對整機進行靜動態分析，提取龍門框架計算分析結果，獲取最薄弱大件優化的結構，再將優化后的各部件整合進行重新分析及優化，以改善龍門框架的靜動態性能，為機床的高精度和高穩定性奠定基礎[1]。

2 模型簡化、邊界條件加載及網格劃分

龍門框架由左、右立柱、橫梁、滑座組成。橫梁與左右立柱上端緊固連接，左、右立柱下部通過螺栓與滑座緊固連接，形成一個對剛性要求很高的龍門框架。其中，立柱、橫梁、溜板的材料為HT300，密度ρ=7200kg/m3，彈性模量E=138GPa，泊松比μ=0.25。為提高網格劃分質量，減小計算量，消除無關因素干擾，在不影響機床分析精度的情況下，對原始實體模型進行簡化，消除與整機靜動態分析無關的因素。例如刪除結構件中的倒角、圓角、階梯以及油孔、螺紋孔等細節[2]。簡化后模型如圖1所示。

根據機床鏜削、銑削、鉆削實際加工工況，在對模型簡化后，分不同位置不同工況對機床進行邊界條件設定。因結構中各部件的大小和結構存在差異，在劃分網格時分別給立柱、橫梁、溜板、滑枕及其他小部件不同網格尺寸，采用自動生成方式，其劃分結果如圖2所示。

圖1 整機結構圖

圖2 有限元網格劃分模型

3 靜動態分析

根據各部件在整機中的裝配位置，在床身與地腳的接觸面施加固定約束，鏜削、銑削、鉆削3種工況下分別在滑枕的底部端面施加軸向抗力、最大扭矩及切削力在各方向的分力[3]。

3.1 靜態分析

經過對滑枕在不同行程溜板處于橫梁的不同位置，以及在重力場、鏜削、銑削、鉆削工況下進行靜力分析發現，由于切削力平衡了部分的重力，在空載狀態下整機變形最大。溜板位于Y向行程中間，滑枕伸出至低位時，最大變形0.34588mm，位于滑枕頂端。龍門框架最大變形0.164mm，位于橫梁下導軌中段，如圖3所示。

圖3 最大變形及等效應力云圖分布

3.2 動態分析

對立柱與滑座的接觸面固定約束，計算龍門前三階模態，如圖4所示。

圖4 前三階模態振型

通過對龍門框架靜動態分析，要提高整機靜動態性能，需要進一步優化龍門結構，龍門框架優化中，重點在橫梁的結構優化。

4 橫梁結構優化設計

橫梁采用箱型結構，箱壁加縱橫筋，提高橫梁的剛性及抗扭性能。經結構優化分析后橫梁的導軌壁采用雙層壁，以明顯提高橫梁的剛性及承載能力，橫梁優化前后模型如圖5所示。

圖5 橫梁優化前后模型

經過優化設計橫梁在受載情況下的應力應變均大幅減小，橫梁在極限載荷情況下所受應力從21.3MPa減小到17.8MPa，均遠小于灰鑄鐵的強度極限，在承受極限載荷的情況下橫梁最大變形量從0.164mm減小到0.128mm，如圖6所示。由此可見，經過結構優化，大幅提高了橫梁自身的剛度和承載能力。

圖6 橫梁優化后應力應變云圖

優化前后橫梁的前六階固有頻率如表1所示，經過優化后橫梁的各階固有頻率均有大幅的提高，前六階模態振型如圖7所示。 機床轉速范圍8～1500 r/min，其最大激振頻率25Hz，低于橫梁一階固有頻率，滿足設計要求。

表1 橫梁前六階固有頻率

圖7 優化后橫梁前六階模態振型

5 結語

對該型龍門移動式數控龍門鏜銑床進行整機動靜態特性分析，發現在龍門框架中變形及振動最大的大件是橫梁，通過將橫梁導軌壁結構改為雙層壁結構，應變減小了16%，變形減小近22%，一階固有頻率提高了25%，從設計層面提高了整機動靜態性能。

【1】陳心昭,權義魯.現代機床實用手冊[K].北京：機械工業出版社, 2006.

【2】王書亭.高速加工中心性能建模及優化[M].北京：科學出版社,2012.

【3】凌桂龍,丁金濱,溫正.ANSYS Workbench13.0從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2012.

【4】林有希,高誠輝,高濟眾.大型機床動態特性的整機有限元分析[J].福州大學學報(自然科學版),2003∶31(1)∶69-72.

Structure Optimal Design of Gantry Frame of CNC Gantry Boring and Milling Machine

LI Shao-ping,WANG Yuan-lun,PENG Liang-feng,ZHANG Wen-kun
(Kunming Machine Tool Co.Ltd.of Shenji Group,Kunming 650203，China)

The dynamic and static characteristics of large heavy moving gantry boring and milling machine are analyzed,by the means of Finite Element Analysis Technology,to find weak links.Through optimal design for the most fragile beam,dynamic and static performances are upgraded in designing.

CNC gantry boring and milling machine;finite element analysis;gantry frame;beam

TH122；TG659

A

1007-9467（2016）09-0075-03【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.09.033

2016-08-12

李紹萍（1971～），女，云南建水人，高級工程師，從事精密數控機床設計研究。