基于ANSYS的門窗材專用四面刨床身設計?

孟慶軍 姜博文 胡萬明

（東北林業大學機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

隨著我國城鎮化步伐的加快與居民收入的持續增長，房地產業欣欣向榮，大量商品房的建設為現代門窗行業提供了巨大的發展空間[1-2]。當前我國門窗材加工方式正在向大規模自動化生產的時代邁進，相比于歐美等發達國家，雖然我國木工機械行業起步較晚，但在規模上不斷擴大，技術上推陳出新，正在逐步縮小與發達國家之間的差距[3-5]。為提高木材的加工利用率和加工效率，降低工人的勞動強度，研發設計一臺專用于門窗材加工的四面刨具有重要意義[6-8]。四面刨的床身作為各工作部件的裝配基礎，床身結構直接決定了設備的重量以及運行的穩定性，進而決定了門窗材的加工質量。因此，本文對四面刨床身進行設計和優化研究。

1 門窗材專用四面刨整機機構設計

通過對國內外研究現狀進行總結，結合四面刨床加工門窗材工藝分析[9-12]，本研究首先對門窗材四面刨的整機結構進行設計。如圖1 所示，整機主要由前進料臺組件、床身、第一下刨刀軸組件、右刨刀軸組件、銑形主軸一組件、銑形主軸二組件、上刨刀軸組件、第二下刨刀軸組件、進料系統組件等組成。

圖1 門窗材專用四面刨總體結構圖Fig.1 Overall structure of the special four-sided planer of door and window material

在四面刨工作過程中，前進料工作臺通過四桿機構與床身連接，目的是使進料工作臺面始終保持水平，前進料工作臺可短距離上下升降，工作臺面與下刨刀軸的切削圓之間的距離即為下刨刀軸的切削量，升降機構通過絲杠螺母手動調整，各刀軸組件均由三相異步電動機通過平皮帶傳動帶動刀軸旋轉進行切削加工。此外，銑型主軸一組件和銑型主軸二組件可獨立進行橫向進給和垂直升降換刀，垂直升降換刀機構由一臺2.0 kW的伺服電機通過蝸輪蝸桿減速器驅動絲杠螺母機構以實現垂直升降換刀。上刨刀組件由一臺0.75 kW的三相異步電動機通過蝸輪蝸桿減速器驅動絲杠螺母機構實現上刨刀軸的高度調整。進料驅動組件包括上壓輥和下壓輥兩部分，由一臺11 kW的Y160M1-2 型三相異步電機驅動，動力通過V帶傳遞到減速器，再經萬向聯軸器將動力傳送到壓輥。送料系統的橫梁可整體升降，升降機構由升降電機通過蝸輪蝸桿減速器和絲杠螺母機構實現升降，其主要作用是在檢修或工件厚度差異較大時調整壓輥和上刨刀軸的高度。上壓輥組件每個壓輥前端還裝有擺動機構和小型調整氣缸，以適應工件厚度變化較小時實現工件的壓緊。

2 床身組件結構設計

床身是四面刨運行的基礎，也是四面刨各工作部件的裝配基礎，床身的設計直接決定了設備運行的穩定性。在床身設計時考慮機床的總體尺寸，以節省安裝面積為前提[13-15]。床身內部的空間應當在鑄造工藝允許范圍內盡可能擴大空腔體積，以安裝機床的變速機構、潤滑機構、電器元件、排屑裝置等。目前市場上四面刨床身分為兩種，即鑄造床身和焊接床身。本文所設計的門窗材專用四面刨由于銑型主軸進給要求，無法將床身結構進行整體鑄造，故而將床身拆分為前后兩部分分開鑄造，鑄造后再統一安裝在槽鋼底座上進行定位和調整。四面刨床身結構如圖2 所示。

圖2 床身結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of the bed structure

床身是整個門窗材專用四面刨的基礎，各主軸與工作臺面的平行度和垂直度均需依靠床身的加工精度來保證[16]。按照加工工藝要求，首先應加工床身的下安裝面，然后以此為基準再加工其他的安裝面。在加工鑄造床身時首先在龍門銑床上進行粗加工，留出一定的加工余量，粗加工后，床身會產生一定的變形，需要經過時效處理后再進行后續的精加工。

床身結構在焊接時會因受熱不均產生內應力和變形，因此需在焊接過程中以及焊接后檢查變形量，如果超過允許最大變形量，則應進行校正，以防止發生由于變形而產生的加工量不均，甚至加工量不足的情況。

3 專用四面刨床身有限元分析

3.1 四面刨床身靜力學分析

床身是整臺機器的工作基礎和支撐單元，床身的結構性能直接影響到木門窗材專用四面刨的加工性能。其裝配有機床的各個主軸和進給系統，并承受工作載荷，床身產生較大的變形或振動將直接影響其他零部件的安裝和刀軸加工的精度，檢驗床身的強度和剛度對于床身設計非常重要。

為驗證床身強度，對其進行有限元分析的前處理后，施加載荷和約束，并進行Solve求解計算，提取床身的應力和變形云圖如圖3 和圖4 所示。

圖3 床身的應力云圖Fig.3 Stress cloud diagram of the bed structure

如圖3 所示，床身結構所受最大應力出現在鑄造床身與槽鋼底座安裝梁處，此外較大應力分布較多的區域還有進料系統安裝座的筋板附近和槽鋼底座上，主要是由于進料系統結構的重力較大，考慮到受力的合理性在導柱座下方增加了筋板。由圖可知，床身結構的最大應力值為46.568 MPa，材料強度安全系數值選定為[S]，槽鋼的屈服強度為σb=235 MPa，則許用應力值如下[17-18]：

由計算公式（1）可得床身槽鋼結構的許用應力值為[σ]=117.5 MPa，床身所受最大應力值小于材料的許用應力值[σ]，因此床身的強度滿足要求，結構設計合理。

圖4 床身的變形云圖Fig.4 Strain cloud diagram of the bed structure

從圖4 可以看出，床身最大變形處發生在床身進料系統升降橫梁安裝座的位置，最大變形量為0.281 14 mm。這是由于進料系統整體重力較大，且升降導柱套筒采用懸臂形式，因此易產生變形，但從變形數據結果來看，床身結構的變形量未超過GB 12557—2010《木工機床 安全通則》中規定的機床變形量要求，完全符合設計和使用精度的要求。

綜合上述力和變形云圖的分析可知，床身的結構和強度能保證門窗的加工精度，滿足實際設計與生產要求。

3.2 四面刨床身模態分析

通過在workbench中建立模態分析Modal模塊，并將前文的靜力學分析的載荷及結果施加在模態分析中，在床身受到預應力的情況下求解其模態振型，獲得其六階振型的固有頻率值如圖5所示。床身的模態振型云圖如圖6所示。

圖5 床身結構的模態振型固有頻率Fig.5 Natural frequencies of vibration modes of the bed structure

由圖5 可知，床身結構的模態振型頻率范圍為98.1～230.77 Hz，為更直觀地了解每一模態振型所對應的共振階數、振動方向以及變形位置，床身的振動和變形統計結果如表1 所示。六階振型中前三階所對應的固有頻率為床身在不同方向上所產生的一階共振，后三階所對應的固有頻率為床身在不同方向上所產生的二階共振。

由于主軸的最大轉速為n=6 800 r/min，根據振源頻率公式f=n/60 可求得機床最大振源頻率為113.33 Hz。而通過上述對床身結構的模態分析可知，床身產生一階共振的最小頻率為98.1 Hz，床身的振源頻率大于模態固有頻率，表明在門窗加工過程中，床身結構可能會發生共振現象，因此應對床身的中間面板安裝梁處重新進行改進設計。

表1 床身結構前六階振動和變形Tab.1 First six vibration and deformation of the bed structure

圖6 四面刨床身模態振型云圖Fig.6 Cloud diagram of vibration modes of the fourside planer bed

4 床身結構改進

通過上述有限元仿真分析可知，床身的強度和變形均在合理的范圍之內，但是上述模態分析表明，其有存在共振的可能。因此有必要對床身進行結構改進優化。由于床身可能發生共振的點主要在中間面板安裝梁處，因此主要對其進行結構優化，該處由型材焊接加工而成，對此可以通過改變型材的截面尺寸進行床身參數優化或加筋板進行加固。根據GB/T 706—2016《熱軋型鋼》中列出的型材規格要求[23-25]，選取規格更大的型材（12.6#槽鋼）作為方案一，對中間面板安裝梁加筋板作為方案二，分別對兩種改進方案和原模型進行有限元對比分析，得出相應的應力、變形和一階固有頻率最小值，見表2。

表2 床身結構優化后靜力學分析對比Tab.2 Comparison of statics analysis after bed structure optimization

通過原模型與方案一、方案二的分析結果對比可知，相比于原模型結構，兩種改進方案對床身的最大應力和最大變形影響不大，而對于一階固有頻率，方案二的改進效果遠遠高于方案一。因此最終選定方案二作為優化改進方案，即對床身的中間面板安裝梁加筋板以避免產生共振。將改進后的機床床身振動和變形情況進行歸納，見表3，模態振型云圖如圖7 所示，床身一階固有頻率為132.7 Hz，大于振源頻率113.33 Hz，滿足設計要求。

表3 改進后床身振動和變形歸納表Tab.3 Summary of vibration and deformation of the improved bed structure

圖7 四面刨床身模態振型云圖Fig.7 Cloud diagram of vibration modes of the fourside planer bed

5 結語

本文基于四面刨加工門窗材工藝，對門窗材專用四面刨進行結構布局和整體結構設計。利用ANSYS軟件對其床身結構進行有限元分析，得到相應的應力云圖、應變云圖以及變形云圖，分析表明：設計的門窗材專用四面刨的床身剛度、強度均符合設計及使用要求；進一步對床身結構進行模態分析，得到床身結構的前六階振型云圖，對其對應的振動階數、振動方向和最大變形位置及其最小的一階固有頻率與振源頻率分析表明，機床在加工過程中可能會發生共振現象，鑒于此，對床身進行了進一步的結構優化，使固有頻率達到加工要求，整機運行的穩定性增強。