動梁龍門加工中心橫梁結構設計與優(yōu)化
2018-10-23 來源： 南通大學機械工程學院 作者：郭琳娜，鄭天池，鞠家全，孫小剛，邱自學
摘要: 橫梁結構設計的品質(zhì)在很大程度上決定了動梁龍門加工中心的剛度和強度性能; 橫梁結構中加強筋的設計與布局直接影響橫梁的靜 /動態(tài)特性。基于有限元法對動梁龍門加工中心的橫梁進行靜 /動態(tài)分析，獲得了橫梁在極端工況下的變形情況以及橫梁結構的前六階固有頻率與振型。結果表明，十字形加強筋難以滿足實際工作要求，因此將加強筋結構改成米字形，使橫梁的變形量減少了 20． 265% ，一階模態(tài)頻率提高了 4． 405% ，表明該優(yōu)化設計方法合理可行，為橫梁的結構設計提供了理論依據(jù)。
關鍵詞: 龍門加工中心; 橫梁; 靜/動態(tài); 加強筋
0 引言
隨著工程機械、軌道交通以及航空航天等行業(yè)的迅速發(fā)展，各類大、重型復雜零件被廣泛地應用于機械裝備中，對零件的加工精度提出了更高的要求，同時也增加了加工難度。龍門加工中心作為加工機械產(chǎn)品的主力機床，不僅加工效率高，而且具有良好的性價比和較高的自動化程度，在高端機械制造業(yè)中發(fā)揮著重要作用。
作為動梁龍門加工中心的主要支撐部件，橫梁結構設計的合理與否將直接影響到機床的制造成本和整體性能。
通過改進橫梁的結構來提高動梁龍門加工中心的整體性能成為了眾多學者研究的重點。提出了一種新型橫梁設計構想———拱型預緊結構橫梁;文獻］以橫梁的總體積為目標函數(shù)對橫梁結構進行優(yōu)化; 對不同截面形狀的橫梁在特定方向的剛度大小進行了分析對比。
以上研究均為橫梁的結構改進提供了設計思路與研究方向，對橫梁加強筋位置和樣式的優(yōu)化更是成為了研究的熱點。
本文通過對橫梁加強筋樣式的改進來優(yōu)化橫梁的靜 /動態(tài)特性，對橫梁的結構改進具有良好的實際應用價值。
1 、動梁龍門加工中心的總體結構設計
1． 1 動梁龍門加工中心的結構特點
根據(jù)目前龍門加工中心的研究現(xiàn)狀和現(xiàn)代機械產(chǎn)品生產(chǎn)制造的需求，對動梁龍門加工中心的總體結構進行了設計。所設計的加工中心為橫梁上下移動式框架結構，采用雙立柱固定支撐的形式，其運動形式包括 4 個進給軸和 1 個旋轉軸，4 個進給軸包括工作臺沿床身前后移動的 X 軸、滑座沿橫梁左右移動的Y 軸、滑枕沿滑座上下移動的 Z 軸和橫梁沿雙立柱下移動的 W 軸，旋轉軸指主軸。
1． 2 加工功能分析
動梁龍門加工中心具備高速、高精密的切削加工特征，不僅能夠加工普通中小型金屬件、3C 產(chǎn)業(yè)零件、精密零件及模具等批量零件的外形、型腔，還能借助自動程序編制技術加工各種大、重型復雜零件，實現(xiàn)切削槽、鉆孔和攻絲等工序的加工，現(xiàn)已被廣泛應用于航空航天等重要領域。
1． 3 動梁龍門加工中心的主體結構
動梁龍門加工中心主要由床身、工作臺、雙立柱、固定梁、橫梁、滑座和滑枕等部件組成。動梁龍門加工中心的整體結構如圖 1 所示。
圖 1 動梁龍門加工中心整體結構
由圖 1 可知，動梁龍門加工中心的橫梁結構由雙立柱支撐，同時承載著滑座、滑枕等部件，滑座沿橫梁導軌左右運動，滑枕在滑座上做上下運動。當滑座處于橫梁的中間位置，滑枕運動到最低點時，橫梁會產(chǎn)生最大的彎曲變形。本文設計的橫梁結構具有如下優(yōu)點。
1) 橫梁的上下移動可以實現(xiàn)細長型零件和復雜結合面的加工，間接擴大了切削范圍。
2) 橫梁與雙立柱的接觸導軌面處做了貼塑處理，極大減小了摩擦阻力，且減振性能良好，能有效防止低速爬行現(xiàn)象的發(fā)生，使運動平穩(wěn)進行.
3) 橫梁兩側均設有剎鐵和壓板來調(diào)整橫梁與立柱的接觸面，保證導軌處的可靠接觸，提高橫梁精度。
2 、橫梁的靜 / 動態(tài)分析
2． 1 網(wǎng)格劃分
橫梁為鑄造件，材料為 HT250，材料屬性設置為:彈性模量取 1． 3 × 105MPa，泊 松比取 0． 27，密度取7 200kg / m3。網(wǎng)格劃分的情況直接影響有限元分析的速度和精度，綜合各影響因素，采用 solid45 單元結構，單元大小設置為 100mm。將橫梁結構導入有限元分析軟件 ANSYS Workbench 中，運用自由網(wǎng)格劃分的方式得到橫梁組件的有限元模型，橫梁的網(wǎng)格劃分圖如圖 2 所示。
圖 2 橫梁的網(wǎng)格劃分圖
2． 2 約束與載荷
忽略與橫梁接觸的各部件間的接觸面變形，將各結合面近似看作剛性接觸。橫梁下端兩側通過滾珠絲杠螺母支撐，后側由液壓夾緊機構夾緊固定，約束時向橫梁對應的貼合面施加固定約束。由力學分析可知，當滑座部分移動到橫梁的中間位置時，橫梁所承受的負荷最大，因此，將滑枕、滑座以及主軸部分的重量作為載荷全部施加到橫梁相應的導軌面上。
2． 3 靜力學分析
靜態(tài)剛度是一個判斷結構優(yōu)劣性的基本指標，結構的最大變形量可在極限載荷的情況下得到。動梁龍門加工中心橫梁的受力結構為兩點簡支梁支撐形式，重力和加工時的切削力是造成橫梁變形的主要原因。此外，當橫梁上的滑座部分沿導軌移動時，也會引起橫梁不同程度的彎曲變形; 同時滑座部分的重力偏置還會引起橫梁的扭轉變形。
對于大型和重型機床，移動件的重量大，切削力也很大，因此進行受力分析時，必須同時考慮移動件重力和切削力等載荷的共同作用。假定橫梁處于最危險狀態(tài)，即滑座部分位于橫梁中部時，通過有限元分析得到的橫梁位移變形云圖如圖 3 所示。
圖 3 橫梁位移變形云圖
由圖 3 可知，橫梁最大位移變形量為41． 021μm。由于橫梁變形主要為彎曲和扭轉變形，這將導致滑枕與主軸偏移正確的位置，對加工精度產(chǎn)生較大影響。
2． 4 模態(tài)分析
動梁龍門加工中心在工作過程中，除了受到靜載荷的作用，還受到包括斷續(xù)切削、材料硬度或加工余量的變化以及回轉零件不平衡等引起的動態(tài)力的共同作用，因此會對加工中心產(chǎn)生擾動。
當振幅超過允許值時，會使刀具磨損嚴重，加工表面質(zhì)量下降，影響加工精度，降低生產(chǎn)效率，甚至導致加工中心不能正常工作。加工中心的振動可以分為自激振動和受迫振動，找出其動態(tài)剛度低的薄弱環(huán)節(jié)，能夠提高抵抗受迫振動的能力，為加工中心的結構設計提供理論依據(jù)。
考慮到動梁龍門加工中心的結構動態(tài)特性將影響到其加工精度和穩(wěn)定性等技術指標，同時，加工中心的前幾階模態(tài)特性及其切削系統(tǒng)的工作頻率對切削性能也具有重要的影響
，運用有限元分析軟件對橫梁進行模態(tài)分析，取前六階模態(tài)頻率進行研究。橫梁的一階模態(tài)振型云圖如圖 4 所示，橫梁的前六階模態(tài)頻率如表 1 所示。
圖 4 橫梁的一階模態(tài)振型云圖
表 1 前六階模態(tài)頻率 Hz
由圖 4 和表 1 可知，橫梁的振動頻率較小，一階振動頻率為 83． 747Hz，當外界激振頻率與一階振動頻率相近時，系統(tǒng)易發(fā)生共振現(xiàn)象，造成橫梁的損壞斷裂，不利于實際的生產(chǎn)加工，因此對橫梁的結構進行了改進。
3 、橫梁的結構改進
由橫梁的靜/動態(tài)分析結果可知，加強筋對橫梁本身的性能影響較大，根據(jù)對角筋板理論得出目前采用的十字形筋板難以滿足實際加工要求; 因此，應對加強筋的樣式進行改進，以提高橫梁的靜/動態(tài)特性，進而改善龍門加工中心的整體性能。
通過改進結構尺寸和筋板布置可以提高結構的靜/動態(tài)特性。為了使改進后的橫梁便于裝配，不改變結構尺寸，只改變內(nèi)部筋板布置，根據(jù)對角筋板抗扭理論，將橫梁內(nèi)部筋板結構改為米字形。改進方案為: 筋板厚度不變，將原來橫向與縱向垂直交叉的十字形結構更改為斜筋構成的米字形結構。改進前的橫梁加強筋結構如圖 5 所示，改進后的橫梁加強筋結構如圖 6 所示。
圖 5 改進前的橫梁加強筋結構
圖 6 改進后的橫梁加強筋結構
4 、改進前后分析
對改進后的橫梁進行靜/動態(tài)特性分析，得到橫梁的總變形量云圖，如圖 7 所示，同時得到橫梁一階模態(tài)振型云圖，如圖 8 所示。
圖 7 改進后橫梁的總變形量云圖
圖 8 改進后一階模態(tài)振型云圖
改進后的橫梁最大變形量為 32． 708μm，較改進前的最大變形量減少了 20． 265% ; 一階模態(tài)頻率為87． 436Hz，較改進前提高了 4． 405% 。改進后的橫梁靜/動態(tài)特性取得了較理想的效果。改進前后橫梁的靜/動態(tài)特性對比結果如表 2 所示。
表 2 改進前后橫梁靜/動態(tài)特性對比結果
由表 2 可知，改進后的橫梁位移變形量顯著降低，一階模態(tài)頻率提高，總體性能優(yōu)越。
5 、 結語
1) 通過對極端工況下的橫梁進行靜 / 動態(tài)特性分析，發(fā)現(xiàn)加強筋的樣式對橫梁的影響較大，十字形結構的加強筋難以滿足 加 工 要 求，需 要 進 行 結 構改進。
2) 根據(jù)對角筋板理論，將橫梁筋板改進成米字形結構，得到橫梁總變形量的最大值為 32． 708μm，比改進前減少了 20． 265% ，改進后滿足設計要求。
3) 通過對改進后的橫梁進行模態(tài)分析，獲得橫梁的前六階 固 有 頻 率 及 振 型，一 階 模 態(tài) 頻 率 提 高 了4． 405% 。
4) 綜合分析改進前后橫梁的靜 / 動態(tài)特性，發(fā)現(xiàn)改進后橫梁的整體性能顯著提高，表明該優(yōu)化設計方法合理可行，為橫梁的結構設計提供了理論依據(jù)。
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