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模塊化斜床身結(jié)構(gòu)靜動(dòng)態(tài)性能研究

2020-9-2 來(lái)源：通用技術(shù)集團(tuán)大連機(jī)床有限責(zé)任公司作者：吳慧敏

摘要 : 針對(duì)新型模塊化數(shù)控車(chē)床產(chǎn)品，利用 ANSYS 軟件對(duì)其整體鑄造斜床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)分析，并經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，為機(jī)床進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)與批量生產(chǎn)提供了理論試驗(yàn)依據(jù)。

關(guān)鍵詞 : 模塊化; 整體式; 斜床身; 車(chē)床

隨著工業(yè) 4.0 興起，制造業(yè)不斷向智能制造方向轉(zhuǎn)變。模塊化機(jī)床是現(xiàn)代生產(chǎn)的一種新型模式。模塊化系統(tǒng)定義為一種盡可能的通用的可替換的基本部件組合成不同形式機(jī)床品種的生產(chǎn)技術(shù)和組織計(jì)劃方式。針對(duì)這一理念，以廠內(nèi)新型模塊化數(shù)控車(chē)床為例，通過(guò)靜動(dòng)態(tài)分析模塊，分析了 40°整體式床身靜動(dòng)態(tài)性能，為實(shí)現(xiàn)精益生產(chǎn)提供了有價(jià)值的參考。該機(jī)床的 Pro/E 模型如圖 1 所示。床身采用整體鑄造成形，床身導(dǎo)軌 40°傾斜布局，有較大的承載截面，其他模塊按照市場(chǎng)需求進(jìn)行不同配置，可實(shí)現(xiàn)高精密、高效率和高可靠性加工。

圖 1　模塊化機(jī)床架構(gòu)

1. 整體式斜床身有限元模型建立

床身作為機(jī)床承載載荷的基礎(chǔ)，其性能非常重要。需要對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析，找出應(yīng)力和變形最大的薄弱點(diǎn)，為衡量機(jī)床性能提供可靠的依據(jù)。

由于過(guò)渡圓角、螺栓孔及模型中的小孔對(duì)床身的質(zhì)量及剛度不會(huì)產(chǎn)生大的影響，完全可以保證足夠的計(jì)算精度，因此可以去掉這些特征。將 Pro/E 軟件建立的床身模型導(dǎo)入 ANSYS中。設(shè)置床身材料為 HT300，密度為 7 300kg/cm3，楊氏模量為 1.43×1011Pa，泊松比為 0.26。采用四面體和掃掠網(wǎng)格劃分，床身節(jié)點(diǎn)數(shù)為 341789 個(gè)，單元個(gè)數(shù)為 187 625。整體式斜床身有限元模型如圖 2 所示。

圖 2　整體式斜床身有限元模

2. 斜床身靜力學(xué)分析

數(shù)控車(chē)床斜床身底部與地基固定，可以定義為全約束，主要承載載荷見(jiàn)表 1。上導(dǎo)軌面承載刀塔刀盤(pán)和滑板的共同質(zhì)量，下導(dǎo)軌面承載主軸箱和尾座的共同質(zhì)量。在工礦下，上下導(dǎo)軌均承受切削力的作用。

表 1　斜床身載荷參數(shù)（質(zhì)量：kg）

針對(duì)此床身 40°傾斜設(shè)計(jì)，從床身靜態(tài)有限元分析可知，最大應(yīng)力區(qū)域分布在床身背部一些筋板連接處，上下導(dǎo)軌應(yīng)力很小，對(duì)實(shí)際加工幾乎沒(méi)有影響，床身最大應(yīng)力為 28 540N，如圖 3所示。

圖 3 斜床身最大應(yīng)力云圖

最大變形位置出現(xiàn)在上導(dǎo)軌中間稍微靠左的位置，這與工況下導(dǎo)軌受到最大的力相吻合，此處正是加工工件時(shí)刀塔的位置。由于導(dǎo)軌傾斜40°，上導(dǎo)軌外側(cè)部分承載力較大，但是其變形量最大只有 0.108×10-3mm，如圖 4 所示，說(shuō)明床身結(jié)構(gòu)變形非常小，可以滿足加工精度，確保加工質(zhì)量。

圖 4 斜床身最大變形云圖

3. 斜床身模態(tài)性能分析

同樣，按照?qǐng)D 2 結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分有限元模型，運(yùn)用 Block Lanczos方法計(jì)算模態(tài)分析結(jié)果見(jiàn)表 2。提取床身的前六階振型如圖 5 所示。

表 2 斜床身前 6 階振型計(jì)算結(jié)果

圖 5 斜床身前 6 階振型

數(shù)據(jù)分析可得，床身振動(dòng)的位移量范圍約為0.052~0.079mm，對(duì)于加工影響不是很大，并且模態(tài)振動(dòng)的固有頻率最小為 303.38Hz。根據(jù)計(jì)算得到一階臨界轉(zhuǎn)速約為 13 652r/min，而該機(jī)床最高轉(zhuǎn)速為 4 000r/min，遠(yuǎn)低于臨界轉(zhuǎn)速，不會(huì)發(fā)生共振。說(shuō)明該床身完全符合初期構(gòu)想的技術(shù)要求。

4. 動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)于首臺(tái)試制整體式床身數(shù)控車(chē)床，需要對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)，檢驗(yàn)其各項(xiàng)性能是否符合技術(shù)要求。同時(shí)為了驗(yàn)證計(jì)算的準(zhǔn)確性，對(duì)該斜床身數(shù)控車(chē)床進(jìn)行切削試驗(yàn)驗(yàn)證。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/T

9061—2007 和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) JB/T2322.1—2002 要求，根據(jù)機(jī)床相關(guān)參數(shù)選擇刀具和試件見(jiàn)表 3。試件裝夾如圖 6 所示。

表3　試驗(yàn)參數(shù)

表4 實(shí)驗(yàn)切削參數(shù)

圖 6 切削顫振試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)多次切削試驗(yàn)，得到切削參數(shù)見(jiàn)表 4。該機(jī)床最大切削深度可達(dá)7mm。并且試驗(yàn)中無(wú)切削顫振現(xiàn)象，工件表面無(wú)明顯振紋，說(shuō)明該機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能良好，驗(yàn)證了床身有限元分析的準(zhǔn)確性。

5. 結(jié)語(yǔ)

本文運(yùn)用 ANSYS 軟件對(duì)新型整體式床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜動(dòng)態(tài)分析計(jì)算，證明床身最大應(yīng)力區(qū)域分布在床身背部一些筋板連接處，上下導(dǎo)軌應(yīng)力很小。最大變形位置出現(xiàn)在上導(dǎo)軌中間稍微靠左的位置，應(yīng)力和變形數(shù)值都很小，驗(yàn)證了其強(qiáng)度和剛度的合理性。同時(shí)，得到了在切削中床身容易發(fā)生共振的頻率范圍，驗(yàn)證了整體式床身結(jié)構(gòu)的合理性。通過(guò)實(shí)際加工試驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)一步證明了該床身結(jié)構(gòu)的可靠和穩(wěn)定。為該新型整體式斜床身的批量生產(chǎn)提供了理論和試驗(yàn)基礎(chǔ)。

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