橋式龍門鏜銑床橫梁部件動靜特性分析

王元倫，李紹萍，彭梁鋒，張文坤

(沈機集團昆明機床股份有限公司,昆明650203)

橋式龍門鏜銑床橫梁部件動靜特性分析

王元倫，李紹萍，彭梁鋒，張文坤

(沈機集團昆明機床股份有限公司,昆明650203)

以提高橋式龍門機床橫梁部件結構剛性，減輕橫梁部件質量，滿足機床高速加工要求為目的，利用Pro/E軟件建立三維幾何模型，通過模型簡化，結合載荷等效原則建立有限元模型，分析其在工作載荷下的靜態剛度和動態剛度，根據分析結果對現有橫梁進行再設計。

橋式龍門鏜銑床；橫梁；動靜特性分析

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.09.038

1 引言

數控龍門鏜銑床經過多年的發展，已經成為多系列、多種類、復合型機電液一體化的技術密集型產品，適合于大中型零件多工作面的銑、鉆、鏜、攻絲及曲面等多工序加工，配置數控銑頭后，還可對工件進行五面加工及各種復雜型面的五軸聯動加工，屬于高精度、高性能、高效率的重要裝備。應用領域十分廣泛，涉及國家軍工、航空、航天、船舶、國防、鐵路、重型機械、礦山機械、工程機械、能源、鋼鐵等行業，同時也是火電、水電等行業主要零部件加工的關鍵設備。

傳統龍門機床一般采用工作臺移動，橫梁靜止的設計方法，難以實現高速加工。橋式龍門鏜銑床采用了橫梁部件移動，而工作臺靜止的設計方法，這種結構適應了現代高速加工的發展趨勢，避免了傳統工作臺移動式數控龍門機床不適合高速加工的欠缺，有效地增強了工作臺的承重。橫梁作為代替工作臺進行運動的部件，其動靜特性對機床整機的加工性能有重要影響，因而對橫梁部件的結構設計提出了更高的要求[1,2]。

2 橋式龍門3D模型

數控橋式龍門鏜銑床的主要結構包括用于放置工件的工作臺、床身、橫梁部件等，工作時，橫梁沿床身縱向進給，在滿足橫梁動、靜剛度的情況下，能夠獲得較高的速度和加速度。溜板在橫梁上往復運動，滑枕固定在溜板上并在垂直地面的方向上作上下往復運動。

圖1 橋式龍門整機圖

如圖1所示，該機床的各個組成部分中，橫梁是至關重要的部分，除去其沿床身的縱向運動，它還支撐和帶動溜板、滑枕完成各個動作，因而其設計尺寸和結構布局影響著加工過程中各個組件的運動以及加工時的穩定性和可靠性。

橫梁部件結構復雜，在進行有限元分析之前先對其結構進行簡化。簡化原則：（1）去除螺紋連接孔；（2）去除不影響結構性能的特征，如退刀槽、接油槽等；橫梁簡化后模型如圖2所示

圖2 數控橋式龍門鏜銑床橫梁模型

3 橫梁靜態特性分析

3.1 橫梁靜態剛度分析

鑄件材料為 HT300，彈性模量為 1.43×1011Pa，密度7200kg/m3，泊松比0.27。承載質量為1.58×104kg，橫梁自身的質量為3600kg，橫梁與床身之間設置為粘結約束。建立橫梁有限元分析模型之后，對橫梁進行靜態剛度分析，其變形如圖3、圖4所示[3]。

圖3 橫梁總變形和Y向變形

圖4 橫梁上導軌和下導軌Y向變形

通過分析發現橫梁的最大總變形為0.0423mm，Y向最大變形為0.0415mm，均發生在滑座安裝位置。

3.2 橫梁模態分析

機床作為一個彈性體，在工作時，有時會產生激振力，引起振動。當振動的振幅超出允許的范圍時，就會使加工表面惡化，導致刀具磨損嚴重，影響加工精度和質量，降低生產效率。所以在研究機床的靜態剛度的同時，必須還要對機床的模態進行研究[4～6]。

對橫梁進行模態分析可借用靜剛度分析的有限元模型[7]，其固有頻率如表1所示，振型如圖5所示。

表1 橫梁前6階固有頻率

圖5 橫梁前6階固有模態振型

4 橫梁優化設計

對橫梁動靜特性分析發現，Y向最大變形為0.04mm，1階固有頻率為68.74Hz。然而由于此橫梁部件為鑄件，承載質量為1.48×104kg，橫梁進給方向無法選擇驅動電機，造成設計困難，因而需對其結構進行改進。結合加工制造可行性，將制造工藝改為焊接，減輕質量。優化設計后橫梁材料為16Mn，彈性模量2.12×1011Pa，密度7870kg/m3，泊松比0.31，工件質量為0.98×104kg。優化后效果如圖6～圖9所示。

圖6 優化后橫梁結構圖

圖7 優化后橫梁總變形及Y向變形圖

圖8 優化后橫梁導軌變形圖

圖9 優化后橫梁前6階固有頻率

通過仿真分析發現，橫梁在Y向的最大變形為0.058mm，相比于優化前增加0.016mm；1階模態為67.198Hz，相比于優化前降低22.7Hz，橫梁質量為0.98×104kg，相比于優化前降低0.5× 104kg，對比見表2所示。

表2 優化前后特性對比表

5 總結

針對現有傳統工作臺移動式數控龍門機床不適合高速加工的欠缺，研發了橫梁移動式橋式龍門。以代替工作臺進行運動的橫梁部件為例，利用Pro/e和ANSYS建立了其有限元模型，系統地分析了其動靜剛度。分析結果顯示，優化后靜態變形增加了27.58%，1階模態降低了25.24%，然而對整機結構影響不大；質量則減輕了40%，對于選擇合適的驅動電機、整機結構布局有很重要的意義。

【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】羅傳林,李鍛能.龍門式機床橫梁的結構設計研究[J].組合機床與自動化加工技術，2006,35(3)∶45-47.

【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】彭文，倪向陽.五坐龍門加工中心動態特性分析與振動控制[J].設計與研究，2006(2)∶61-63.

【5】徐燕申.機械動態設計[M].北京∶機械工業出版社，1992.

【6】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.

【7】楊康，韓濤.ANSYS在模態分析中的應用[J].組合機床與自動化加工技術，2005(10)∶84-88.

Static and Dynamic Analysis on Beam Parts of Bridge Gantry Boring and Milling Machine

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

The paper aims to improve the structural rigidity ofbeam parts ofbridge gantry machine,reduce its mass and meet the demand of high-speed processing of the machine.Pro/E software isused to establish a three-dimensional geometric model.By simplifying the model, finite element model is built based on the load equivalent method.The static and dynamic stiffness under working load are analyzed,and then the existing beamis optimized according to analysis results.

bridge gantry boring and milling machine;beam;static and dynamic analysis

TH122；TG659

A

1007-9467（2016）09-0090-03

2016-08-12

王元倫（1982～），男，云南宣威人，工程師，從事精密數控機床及功能附件研究。