立式數控平面刃磨床床身設計與模態分析

胡 明，童寶宏，胡三寶，王 濤，陶 霞，蘇家磊

(1.安徽嘉龍鋒鋼刀具有限公司, 安徽 馬鞍山 243000;2.安徽工業大學 機械工程學院，安徽 馬鞍山 243032)

0 引言

立式數控平面刃磨床作為一種刃具磨削設備主要用于導軌制造、刀片制造、軸承制造，可滿足不同的刀具磨削角度。床身作為立式數控平面刃磨床的重要組成部分，其剛度及強度對磨削刀具表面加工質量有著不可忽視的影響。

現有平面刃磨床床身在磨削加工過程中因各部件連接處間隙的存在會產生異常振動，該現象的出現對刀具表面加工質量有著較為嚴重的影響。焊接工藝作為一種常見的零部件連接方式，可有效地增大部件的強度和剛度[1,2],通過全焊接工藝連接床身各部件可有效地減少現有床身中的異常振動，增加現有床身的氣密性和水密性[3]。此外，全焊接工藝床身經過充分振動時效處理工藝[4,5]后不僅具有足夠的強度和剛性，還擁有良好的長期精度和穩定性。本文采用ANSYS Workbench對改進后的立式數控平面刃磨床床身進行模態分析[6,7]，以驗證其剛度及強度。

1 立式數控平面刃磨床床身整體結構

立式數控平面刃磨床由機床床身、長矩形工作室、橫向導軌、垂直導軌、冷卻系統、潤滑系統、電氣控制系統等組成，整體結構如圖1所示。

圖1 立式數控平面刃磨床整體結構

床身是數控平面刃磨床的基座與載體，主要由左右兩個擋板、前后兩個墻板、底面封板及工作臺底板焊接形成半封閉式箱型機床床身，在工作臺底板和底面封板間焊有橫支撐板，其結構如圖2所示。

圖2 立式數控平面刃磨床床身結構示意圖

2 立式數控平面刃磨床床身有限元模型建立

在Inventor 2018中建立床身結構模型，外形尺寸為3 080 mm×700 mm×592 mm。此外，為提高網格質量及節省計算時間，簡化幾何模型中對數值計算結果幾乎無影響的螺孔、倒角、圓角等微小特征結構，床身簡化模型如圖3所示。將簡化后的床身幾何模型導入有限元分析軟件ANSYS 19.0中，在床身底面螺孔處施加固定約束，設置實際工作時與工件直接接觸的兩個工作臺支撐座底座的網格尺寸為1 mm，其他非直接接觸結構件的網格尺寸為20 mm，得到的床身有限元模型如圖4所示，節點數為2 813 128、單元數為647 842。床身材料為灰鑄鐵HT300，其密度為7 300 kg/m3、彈性模量為140 GPa、泊松比為0.27。

圖3 床身簡化模型 圖4 床身有限元模型

3 立式數控平面刃磨床床身模態分析

模態分析得到的立式數控平面刃磨床床身前6階模態振型如圖5所示，各階約束模態頻率如表1所示。

表1 床身前6階約束模態頻率

由圖5可看出：1階振型主要表現為床身兩側的V形斜板沿Z軸彎曲；2階振型主要表現為床身兩側的V形斜板沿Z軸扭曲；3階振型主要表現為床身兩側的V形斜板沿Y軸彎曲；4階振型主要表現為床身兩側的V形斜板沿Y軸扭曲；5階振型主要表現為床身兩側的V形斜板沿X軸彎曲；6階振型主要表現為床身兩側的V形斜板沿X軸扭曲。通過床身結構的振型以及頻率可知主要是床身兩側V形斜板出現振動，產生不同程度的變形，頻率最大值為16.705 7 Hz。

圖5 床身前6階模態振型

立式數控平面刃磨床電機轉速為1 440 r/min，極對數為3，通過計算得到頻率為72 Hz。該頻率遠離床身1階～6階頻率區，即不會與床身結構發生共振。結合床身低階固有頻率的變化趨勢可知，床身振型不會突變，則床身的頻率變化平滑，動態特性良好。

4 結語

本文在現有立式數控平面刃磨床的基礎上對機床床身進行改進設計，對機床床身采用全焊接和振動時效處理工藝。采用ANSYS Workbench對改進后床身進行模態分析，驗證了改進后機床床身具有良好的剛性及動態特性。