微型移動龍門式銑床結構優化設計

卜雪梅

（齊齊哈爾二機床（集團）有限責任公司，黑龍江 齊齊哈爾 161000）

微型移動龍門式數控銑床的主要結構存在不足之處，為了解決這一問題需要將拓撲優化、正交實驗設計方法等作為設計調整的主要依據，首先需要建立本體的有限元模型，再結合當前的加工情況進行靜力學分析，從而得出位移和應力云圖的主要內容和基本結論。通過模態化分析，來了解前十階模態所具有的頻率和主振類型，通過對有限元結果的分析，運用拓撲優化原理，將其所具有的最小應變能力作為主要的目標函數，并且設計好立柱的整體質量來作為主要約束條件，對當前所采用的微型銑床立柱進行優化設計。同時還可以采用正交實驗的方式，來保證工作臺的自重下最大位移程度，控制好T形槽的大小，以及槽與槽之間的間距，安排好工作臺建設的厚度，將工作臺支承面積作為主要的設計變量，從而提高工作臺的工作能力，保證優化后機體的正常運行，通過有限元仿真實驗，來提高優化后整機的靜態性能。

1 本體有限元模型的建立

在進行有限元模型創建的過程中，需要充分的考量有限元網格的計算準確率和精度，因此需要對銑床的幾何模型進行適當的優化，減少給電機和傳動系統對機床運行所產生的影響，要將主軸電機作為鋼體，摘除螺紋孔，控制好部分加工角的一些細小問題，保證各部件之間的有機結合。通常我們會在連接單元TIE，通過八節點、六面體的但愿模型來對機床的本體進行區域和網格性劃分，從而得到合理的有限元網絡模型。確立靜力學的分析參數根據銑削力經驗公式：

在整個計算公式中Fz為切向切削的分力，C Fz為銑削力所得的系數，ap為切削的深度，af為每齒間提供的進給量，ae為銑削的寬度，z 為銑刀的齒數，do為銑刀的外徑，kFz為銑削的力修正系數，在進行刀具選擇的過程中一般會選用直徑銑刀的外徑為 10mm 的具有4齒的平底圓柱高速鋼銑刀，銑削材料主要為碳鋼，刀具一般會沿 X 的方向進行運動，取最后的數值為 C Fz= 641，ap= 0.5mm，af= 0.2mm，ae= 0.05銑刀的外徑，k Fz= 1，根據計算公式最終求得 Fz= 30.6N

2 靜力學分析

在微型銑床道具的使用過程中，刀位點大多數都處于X、Y、Z三個方向，由上述參數求得的結果可知三個方向分別施加30.6N的力，并且在機床的質點添加向下的重力，保證加速度為9800mm/s2，通過靜力學內容的分析，通過計算內容來得出最終演示結論，我們可以將綜合位移設定為8.42×10-4mm保證機床運行的最大應力為0.16MPa。

在進行模型創建的過程中，還需要結合國際化發展慣例，一般情況下，45鋼的強度處于355MPa為了更好的滿足銑床運行過程中的發展需求，我們可以通過分析銑床x和y軸的剛度情況來保證主軸的剛度。最終的分析結果為：因為x軸的機架和立柱之間的連接板剛度不強，因此x和y軸的剛度較弱，X軸的機架和立柱之間的連接部分尺寸過小，無法滿足銑床的穩定運行需求。

3 模態分析

我們需要通過適當的求解方式來提取前十階模態頻率和主要振型，微型龍門銑床的前十階的固有頻率之間具有較大的差距，因為機床的整體具有一定的抗震能力，工作臺如果一旦發生變形，就會直接影響到工件加工所具有的精準性，因此需要明確，工作臺是機床的重要結構部件。在進行前十階的固有頻率和主振型分析過程中，經常發現前六階都是工作臺的振動變形情況，并且震動的幅度較大，在了解這一問題產生的主要原因時，我們可以得知工作臺所具有的原始剛性不足。

除此之外，工作臺的立柱上的床身還會發生扭振的情況，從而導致機床的刀具出現擺動幅度較大的問題，影響到銑削的精度，通過實驗分析可以得出結論，之所以產生這些問題，都是因為立柱和x軸之間的連接部分，具有尺寸較小的問題，造成連接部位之間的剛性不足，從而影響了零件加工的整體質量，為了解決這一問題，需要適當的增大工作臺所具有的剛度，保證立柱和x軸床身的連接部位剛度符合相應的標準。

4 工作臺的結構優化

我們現已明確工作臺式機床設計穩定性的重要影響部分，因此在進行工作臺優化設計的過程中，可以采用正交實驗設計方式來全面提高機床的加工精度，首先，在施工開始之前，需要將工作臺的進度調整作為主要的優化目標，實驗內容主要是依靠靜力學現有的規定來對于工作臺進行最大位移。同時需要對工作臺的T型槽大小，以及梯形槽之間的間距，工作臺本身所具有的厚度，工作臺支撐端邊的主要長度，進行詳細的分析和明確，從而制定出正交實驗表，了解不同的因素對目標函數所造成的運行影響，提出最優的組合水平數值。

5 優化后的有限元分析

在對微型龍門銑床進行優化調整之后，需要對機床本身的靜、動態特性進行詳細的分析，通過對優化前后的結構模態來了解機床低階頻率所發生的變化，全面提高機床的整體機動性。一般情況下，我們可以將刀具的表面分為不同的兩個區域，首先是磨損區域，通過對磨損區域發生現狀的對比，來了解不同元素所造成的加工問題，通過研究表明，來了解刀具上的粘著層主要是為了覆蓋刀具表面所產生的磨痕，對刀具的使用產生保護效果，當其厚度變薄弱之后磨痕就會顯得更加明顯。長此以往，會發生粘著層剝離的情況，降低刀具的使用壽命，在實驗和優化的過程中，需要注重本體有限元模型的建立，對靜力學計算內容進行詳細的分析，從而得出相應的模態，通過模態的了解和探討，來明確工作臺和立柱的主要結構優化內容，優化完成后再通過有限元的模型建立進行第二次分析。

6 總結

微型移動龍門式銑床通常被用于小型零件的加工，想要全面提高零件的加工質量，就需要通過適當的方式來提高微型龍門式銑床所具有的剛性，調整好加工精度，對機床的本體性結構進行全面優化，同時在進行機床結構優化的過程中，很多專家學者都做了相應的研究。最后得出結論，拓撲優化與有限元仿真相結合的方式，更有利于機床的立柱優化，建設立柱的最佳結構模型，來對機床的床身進行模擬態勢分析，結合分析的主要結果來重新設計床身的橫梁和立柱。綜合型的優化技術，能夠有效提高機床的床身結構，因此，不能局限于單個補件的優化，還需要對多個關鍵部件進行綜合性考量，改變傳統的機床結構，提高機床的剛度和精度。