加工中心床身模態(tài)分析及結(jié)構(gòu)改進
海天精工 加工中心 鉆攻中心前言：海天精工 備注：為保證文章的完整度，本文核心內(nèi)容都PDF格式顯示，如未有顯示請刷新或轉(zhuǎn)換瀏覽器嘗試，手機瀏覽可能無法正常使用！車銑復(fù)合加工中心是把車削和銑削工藝整合，在一臺加工中心上實現(xiàn)對工件的車削和銑削加工，這種整合比分別車削和銑削的加工精度更高[1-«。斜床身動態(tài)性能直接影響機床整機性能，特別是對加工中心整機的抗振性能、加工精度等影響較大。分析斜床身結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，可為斜床身設(shè)計改進提供依據(jù)，避免因共振造成的經(jīng)濟損失。對機床床身動態(tài)性能研宄的方法應(yīng)用最多的是模態(tài)分析法。通過模態(tài)分析結(jié)果，判斷振型對加工精度的影響，優(yōu)化改進斜床身，達(dá)到加工中心對加工質(zhì)量和加工精度的使用要求。將低階固有頻率作為動態(tài)分析改進設(shè)計的優(yōu)化目標(biāo)，提高床身固有頻率，有效提高加工中心穩(wěn)定性，提高對工件的加工精度，為下一步斜床身車銑復(fù)合加工中心的改進設(shè)計打下基礎(chǔ)⑷。1加工中心床身有限元模型的建立MJ-MOMC/Y配置臥式回輪動力型刀架，加工中心Y軸進給采用虛擬Y軸結(jié)構(gòu)進行平面銑削作業(yè)[5]，整機三維模型如圖1所示。1.1模型簡化斜床身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以完全按照實物建立有限元模型。在有限元網(wǎng)格劃分前需簡化斜床身.3簡化的原則是：（1)在CAD建模時力求精確，真實地模擬結(jié)構(gòu)的靜動態(tài)特性；（2)直線化和平面化處理CAD模型中的小錐度、小曲面[6]。根據(jù)以上原則簡化斜床身的模型：刪除導(dǎo)軌上的所有螺紋孔。車銑復(fù)合加工中心整機模型如圖1所示，簡化后斜床身（如圖2所示）結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性未發(fā)生改變，但為后續(xù)高效分析計算提供幫助。U定義單元屬性與網(wǎng)格劃分1.2.1定義單元屬性由于斜床身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是不規(guī)則的幾何體，所以選用四面體單元模擬真實結(jié)構(gòu)，經(jīng)考慮，選擇S0LID187四面體單元m。1.2.2網(wǎng)格劃分在網(wǎng)格劃分時，需遵循以下幾點原則：（1)模型結(jié)構(gòu)和實際結(jié)構(gòu)盡可能相同；〔2)根據(jù)計算精度和計算規(guī)模來選擇合適的單元大??；（3)單元體應(yīng)盡量勻稱齊整<,2模態(tài)分析2.1斜床身的村料特性斜床身材料為灰鑄鐵，具體的材料參數(shù)見表1。 表1斜床身材料特性 屈服強度/MPa 密度 / (kg/m3) 極限抗拉強度/MPa 泊松比 彈性模量/Pa 對數(shù) 衰減率 比熱 / (J/kg • K) 導(dǎo)熱系數(shù)/ (W/m • K) 線膨脹系數(shù)/ ( u m/m • K) 250.0 7250 250.0 0. 25 1. 35X l〇n 0.004 ?0.009 0. 1 氺 4. 19*103 5. 0 11. 5 基金項目：山東省自主創(chuàng)新及成果轉(zhuǎn)化專項''高速精密車ft復(fù)合虛擬軸加工工藝與裝備開發(fā)''。 2.2載荷施加對于包含預(yù)應(yīng)力效應(yīng)的模態(tài)分析，其固有頻率分析結(jié)果比不包含預(yù)應(yīng)力時大，更符合實際情況。所以本文采用包含預(yù)應(yīng)力效應(yīng)的模態(tài)分析，對受力情況轉(zhuǎn)化計算。由于牽扯零件眾多，篇幅有限，其分析過程不做介紹，其受力結(jié)果直接給出。加工中心接觸構(gòu)件示意圖如圖3所示。假定刀架、主軸箱、尾座等部件的材料都為普通碳鋼，將車床模型導(dǎo)入SolideWorks中，得出它們的質(zhì)量分別為650kg、470kg、240kg。那么，它們對斜床身的作用力即為各自的重力 Gp G2、G3，分別是 6500kg、4700kg、2400kg。這三個力分別施加在它們各自的支撐處。斜床身受到的外力經(jīng)過計算，分別是GiSGSOON，G2S 4700N，^為2400隊M2*613N.m，M3 為 613N.m[8]。2.3有限元分析及結(jié)果討論通過自由劃分網(wǎng)格和掃掠的方法將模型劃分，劃分網(wǎng)格的有限元模型如圖4所示。對斜床身施加約束條件，斜床身是由底面11個螺栓固定在底座上，分別對床身的11個節(jié)點施加x、y、z三個方向的完全約束[9]。加工中心工作時，只有少數(shù)低階模態(tài)起主要作用，所以只分析前六階模態(tài)，通過ANSYS Workbench分析求解，分析得到固有頻率和振型，通過模態(tài)分析可分析得到各階模態(tài)振型（見表2)和振型圖（如圖5?圖10所示）。 表2斜床身前六階固有頻率及振型描述 階次 固有頻率/Hz 振型描述 1 340. 95 整體繞X軸沿z軸向前后擺動，且右上部比較明顯 2 468. 79 中部前后兩側(cè)沿X軸彎振，兩側(cè)比較明顯 3 494. 4 上側(cè)中部左右兩邊沿X軸凹凸振， 且右上部比較明顯 4 555. 88 中部左右兩邊沿X軸彎振，且中部比較明顯 5 688. 29 中部左右兩邊沿Z軸凹凸振 6 699. 85 整體沿Z軸擺振且右上部比較明顯 表4改進前后固有頻率對比 階數(shù) 改進前固有頻率/Hz 改進后固有頻率/Hz 增加百分比/% 第一階 340. 95 365. 17 6. 10 第二階 468.79 497.03 5.02 第三階 494. 4 526.2 5.43 第四階 555. 88 590. 36 5.20 第五階 688. 29 724.77 4. 30 第六階 699.85 754.75 6.84 量較大，兩側(cè)變形量較?。环治龉逃蓄l率可知，前六階固有頻率較低，因此單位剛度較低，穩(wěn)定性較差。為提高固有頻率，改進其結(jié)構(gòu)尺寸、上導(dǎo)軌和底座厚度。但為保證其加工范圍要求，斜床身主要結(jié)構(gòu)尺寸不變，因此只改進上導(dǎo)軌和底座厚度。具體改進措施為：（1)增加上導(dǎo)軌厚度。改善上導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)受力，提高穩(wěn)定性，保證加工精度；C2)增加底座厚度。增加底座穩(wěn)定性，減小變形量，增加斜床身穩(wěn)定性。改進后底座結(jié)構(gòu)加工工藝難度與改進前相比相差較小。上導(dǎo)軌承擔(dān)托板的垂直方向和水平方向載荷，改善了導(dǎo)軌受力狀態(tài)，更適合精密元件加工。改進后的斜床身模型如圖11所示。對改進后斜床身模型進行模態(tài)分析，通過模態(tài)分析可分析得到各階模態(tài)振型〔見表3)和振型圖〔如圖12?圖17所示）。 圖11改進后的斜床身模型 表3斜f 艮身前六階固有頻率及振型描述 階次 固有頻率/Hz 振型描述 1 365. 17 整體繞X軸沿z軸向前后擺動，且右上部比較明顯 2 497.03 中部前后兩側(cè)沿X軸彎振，兩側(cè)比較明顯 3 526. 2 上側(cè)中部左右兩邊沿X軸凹凸振，且右上部比較明顯 4 590.36 中部左右兩邊沿X軸彎振，且中部比較明顯 5 724. 77 中部左右兩邊沿Z軸凹凸振 6 754. 75 整體沿Z軸擺振且右上部比較明顯 4結(jié)語(1) 利用MSYS Workbench有限元軟件對斜床身進行模態(tài)分析，分析得到各階模態(tài)振型圖和斜床身變形特點，確定影響加工中心動態(tài)特性的主要因素為上導(dǎo)軌和底座。(2) 優(yōu)化改進斜床身的上導(dǎo)軌和底座，與原結(jié)構(gòu)相比，加工工藝難度相差較小，改善了上導(dǎo)軌的受力狀態(tài)，加工中心穩(wěn)定性和加工精度得到提高。(3) 對比改進前后斜床身模態(tài)分析結(jié)果，前三階固有頻率改進后分別提高6. 10%、5. 02%和5. 43%,斜床身結(jié)構(gòu)剛度得到改善，穩(wěn)定性和加工精度得到提高，為下一步斜床身車銑復(fù)合加工中心的改進設(shè)計打下基礎(chǔ)海天精工是一家集銷售、應(yīng)用及服務(wù)于一體的公司。產(chǎn)品包括：CNC加工中心、鉆攻中心、龍門加工中心、雕銑機、石墨機、五軸加工中心、立式加工中心、臥式加工中心等。我們機床的生產(chǎn)工廠設(shè)在廣東省寧波市，目前其生產(chǎn)的加工中心70%出口，其中出口到歐洲占到50%。我們盡心、盡力、盡意的服務(wù)！聲明：本站文章均來自網(wǎng)絡(luò)，所有內(nèi)容不代表本站觀點，本站不承擔(dān)任何法律責(zé)任！