模塊化斜床身結構靜動態性能研究
2020-9-2 來源：通用技術集團大連機床有限責任公司 作者： 吳慧敏
摘要 : 針對新型模塊化數控車床產品，利用 ANSYS 軟件對其整體鑄造斜床身結構進行了靜態和動態分析，并經過試驗驗證，為機床進一步的結構優化升級與批量生產提供了理論試驗依據。
關鍵詞 : 模塊化; 整體式; 斜床身; 車床
隨著工業 4.0 興起，制造業不斷向智能制造方向轉變。模塊化機床是現代生產的一種新型模式。模塊化系統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床品種的生產技術和組織計劃方式。針對這一理念，以廠內新型模塊化數控車床為例，通過靜動態分析模塊，分析了 40°整體式床身靜動態性能，為實現精益生產提供了有價值的參考。該機床的 Pro/E 模型如圖 1 所示。床身采用整體鑄造成形，床身導軌 40°傾斜布局，有較大的承載截面，其他模塊按照市場需求進行不同配置，可實現高精密、高效率和高可靠性加工。
圖 1 模塊化機床架構
1. 整體式斜床身有限元模型建立
床身作為機床承載載荷的基礎，其性能非常重要。需要對其進行靜力學分析，找出應力和變形最大的薄弱點，為衡量機床性能提供可靠的依據。
由于過渡圓角、螺栓孔及模型中的小孔對床身的質量及剛度不會產生大的影響，完全可以保證足夠的計算精度，因此可以去掉這些特征。將 Pro/E 軟件建立的床身模型導入 ANSYS中。設置床身材料為 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格劃分，床身節點數為 341789 個，單元個數為 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. 斜床身靜力學分析
數控車床斜床身底部與地基固定，可以定義為全約束，主要承載載荷見表 1。上導軌面承載刀塔刀盤和滑板的共同質量，下導軌面承載主軸箱和尾座的共同質量。在工礦下，上下導軌均承受切削力的作用。
表 1 斜床身載荷參數（質量 ：kg）
針對此床身 40°傾斜設計，從床身靜態有限元分析可知，最大應力區域分布在床身背部一些筋板連接處，上下導軌應力很小，對實際加工幾乎沒有影響，床身最大應力為 28 540N，如圖 3所示。
圖 3 斜床身最大應力云圖
最大變形位置出現在上導軌中間稍微靠左的位置，這與工況下導軌受到最大的力相吻合，此處正是加工工件時刀塔的位置。由于導軌傾斜40°，上導軌外側部分承載力較大，但是其變形量最大只有 0.108×10-3mm，如圖 4 所示，說明床身結構變形非常小，可以滿足加工精度，確保加工質量。
圖 4 斜床身最大變形云圖
3. 斜床身模態性能分析
同樣，按照圖 2 結構進行網格劃分有限元模型，運用 Block Lanczos方法計算模態分析結果見表 2。提取床身的前六階振型如圖 5 所示。
表 2 斜床身前 6 階振型計算結果
圖 5 斜床身前 6 階振型
數據分析可得，床身振動的位移量范圍約為0.052~0.079mm，對于加工影響不是很大，并且模態振動的固有頻率最小為 303.38Hz。根據計算得到一階臨界轉速約為 13 652r/min，而該機床最高轉速為 4 000r/min，遠低于臨界轉速，不會發生共振。說明該床身完全符合初期構想的技術要求。
4. 動態性能試驗驗證
對于首臺試制整體式床身數控車床，需要對其進行動態性能試驗，檢驗其各項性能是否符合技術要求。同時為了驗證計算的準確性，對該斜床身數控車床進行切削試驗驗證。按照國家標準 GB/T
9061—2007 和行業標準 JB/T2322.1—2002 要求，根據機床相關參數選擇刀具和試件見表 3。試件裝夾如圖 6 所示。
表3 試驗參數
表4 實驗切削參數
圖 6 切削顫振試驗
經過多次切削試驗，得到切削參數見表 4。該機床最大切削深度可達7mm。并且試驗中無切削顫振現象，工件表面無明顯振紋，說明該機床的動態性能良好，驗證了床身有限元分析的準確性。
5. 結語
本文運用 ANSYS 軟件對新型整體式床身結構進行了靜動態分析計算，證明床身最大應力區域分布在床身背部一些筋板連接處，上下導軌應力很小。最大變形位置出現在上導軌中間稍微靠左的位置，應力和變形數值都很小，驗證了其強度和剛度的合理性。同時，得到了在切削中床身容易發生共振的頻率范圍，驗證了整體式床身結構的合理性。通過實際加工試驗驗證，進一步證明了該床身結構的可靠和穩定。為該新型整體式斜床身的批量生產提供了理論和試驗基礎。
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如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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