【導(dǎo)讀】精度、高速度、高效率的道路。近些年來，我國企業(yè)的數(shù)控機床占有率正在逐步上升，其中大型高。效的數(shù)控機床也成為了用戶的首選。但是由于其結(jié)構(gòu)龐大、設(shè)備噸位重、制造費用高，有必要進行。預(yù)先的計算、仿真，讓設(shè)計者對機床的特性有一個全面的了解，進而使整個設(shè)計更加的完善。ANSYS作為分析工具，對其進行分析靜力分析和動態(tài)特性分析。對床身和立柱進行結(jié)構(gòu)設(shè)計計算，運用CAD進行二維圖繪制。運用solidworks進行三維建模，包括床身，立柱部分。將建立的三維模型用有限元方法進行對床身，立柱，滑枕，及整機靜態(tài)剛度分析。及整機6階固有頻率振型，共四部分分析。根據(jù)靜力分析和模態(tài)分析的結(jié)果得出相應(yīng)的結(jié)論，設(shè)計是否符合要求，以及需要進行優(yōu)化的。在此，我謹(jǐn)記導(dǎo)師這四個月來對。我的辛勤培養(yǎng)和耐心指導(dǎo)致以衷心的感謝和崇高的敬意。衷心的感謝我同組的同學(xué)，周鵬，王琦，還有錢城同學(xué)。究，讓整個研究過程進行的順利，在規(guī)定的時間內(nèi)完成任務(wù)。

　　

【正文】 ： 10 齒 工件材料 機械性能 硬度 HB： 207 ~ 229 強度 GPa： ~ 加工形式 不對稱逆銑； 端銑刀 主軸轉(zhuǎn)速 160 rpm 銑削深度 mm 銑削寬度 mm 進給量 mm/Z 銑削速度 m/min 某型重型數(shù)控機床床身設(shè)計及模態(tài)仿真分析 17 由此條件計算得到主切削力 Fc = ，徑向切削力 Fz = ，軸向切削力 Fx =。此時機床受到最大徑向切削力。 （ 2） 機床在鏜削加工時，計算條件如下表： 表 312 鏜削工況下的切削力計算條件 刀具材料 硬質(zhì)合金 工件材料 結(jié)構(gòu)鋼類 刀具幾何參數(shù) 主偏角： 45176。 前角： 10176。 工件材料 機械性能 硬度 HB： 207 ~ 229 強度 GPa： ~ 加工形式 雙刀鏜削 主軸轉(zhuǎn)速 35 rpm 銑削深度 mm 進給量 s 1 mm/r 加工孔徑Φ 600 mm 由此條件計算得到主切削力 Fc = ，徑向切削力 Fz = ，軸向切削力 Fx = N。此時機床受到最大切削扭矩 5000N M，但各向受力都較小，因此在立柱靜力分析時不考慮這種情況。 受力分析 立柱結(jié)構(gòu)在機床滿負(fù)荷運轉(zhuǎn)加工時的受力情況如圖 321： 圖 313 立柱受力情況 (1)立柱自身的重力 根據(jù)立柱的材料及材料的密度，材料為 HT300，密度為 7300kg/m3，用 SolidWorks建模，并 某型重型數(shù)控機床床身設(shè)計及模態(tài)仿真分析 18 得出立柱重力為 209430N。 (2)滑枕裝配體的重力根據(jù)機床的整體三維建模，得出的重力為 55310N。 (3)主軸箱的重力根據(jù) 同組人員 主軸箱的建模，可知主軸箱的重力 56820N。 立柱的約束 螺栓將立柱與滑座完全固連，滑枕可在床身上移動。由于螺栓緊固的作用，我們將立柱底面設(shè)為全約束。 經(jīng)過以上受力分析，將約束與各個作用力施加在有限元模型上，得出了立柱的約束加載圖。 314 立柱的約束加載圖 求解計算與分析結(jié)果 進入求解器 Main MenuSolutionSloveCurrent LS 求解。求解完成后，進入通用后處理器觀察計算結(jié)果并得到立柱結(jié)構(gòu)的位移云圖和應(yīng)力云圖。 從立柱結(jié)構(gòu)在銑削時的位移場分布云圖可以看出由于立柱受力而引起的變形在立柱右側(cè)導(dǎo)軌與立柱頂面相交處達(dá)到最大值。 (1)銑削時的位移場分布如圖 315 所示： 某型重型數(shù)控機床床身設(shè)計及模態(tài)仿真分析 19 a) 總體位移云圖 b) X 方向位移云圖 c) Y 方向位移云圖 d) Z 方向位移云圖 圖 315 銑削情況下立柱結(jié)構(gòu)位移云圖 最大位移為 。其中 X 向最大位移為 ，發(fā)生在立柱左側(cè)面的上部； Y 向最大位移為 ，發(fā)生在立柱后面與頂面接觸處； Z 向最大位移為 ，發(fā)生在立柱導(dǎo)軌與頂面接觸處。立柱在 X 向剛度較好，而在 Y 向和 Z 向變形較大，這與立柱本身結(jié)構(gòu)和受力特點有關(guān)，因為立柱為柱狀結(jié)構(gòu)，下端面完全固定，立柱上端面受到較大壓力，但是變形值并不大，符合實際情況。 立柱結(jié)構(gòu)的剛性反映在整個機床加工精度上，主要是其導(dǎo)軌面的變形，尤其是與主軸箱接觸部分的變形，在立 柱銑削時的位移云圖上這一點表現(xiàn)的非常明顯。特別是 Z 向的最大位移發(fā)生在導(dǎo)軌面上，這對機床的加工精度具有一定影響?？傮w來看立柱導(dǎo)軌特別是主軸箱所在位置的變形最大不超過 ，這說明立柱的剛度很好，完全符合加工要求。在立柱導(dǎo)軌的中段，可以考慮加強其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如添加加強筋等措施，來更進一步提高其剛度，進而提高整體機床的加工精度。 某型重型數(shù)控機床床身設(shè)計及模態(tài)仿真分析 20 (2) 鏜削時的位移場分布如圖 316 所示： a) 總體位移云圖 b) X 方向位移云圖 c) Y 方向位移云圖 d) Z 方向位移云圖 圖 316 鏜削情況下立柱結(jié)構(gòu)位移云圖 最大位移為 。其中 X 向最大位移為 ，發(fā)生在立柱左側(cè)面的上部； Y 向最大位移為 ，發(fā)生在立柱下半部分； Z 向最大位移為 ，發(fā)生在立柱導(dǎo)軌與主軸箱接觸處的位置。無論是 X 方向、 Y 方向還是 Z 方向的位移都很小，說明在鏜削情況下立柱整體變形小，加工穩(wěn)定，精度較高而且保持性好。 某型重型數(shù)控機床床身設(shè)計及模態(tài)仿真分析 21 立柱結(jié)構(gòu)模態(tài)分析 采用 Block Lanczos 法分別提取前六階的固有頻率和振型，如圖 317所示： a) 第一階模態(tài)圖 b) 第二階模態(tài)圖 c) 第三階模態(tài)圖 d) 第四階模態(tài)圖 某型重型數(shù)控機床床身設(shè)計及模態(tài)仿真分析 22 e) 第五階模態(tài)圖 f) 第六階模態(tài)圖 圖 317 立柱前六階模態(tài)圖 表 313 立柱結(jié)構(gòu)固有頻率、振幅及振型描述 階數(shù) 固有頻率 f/Hz 振型 1 沿 X軸方向來回擺動，上部振型明顯 2 沿 Z軸方向來回擺動，上部振型明顯 3 繞 Y軸扭曲振動，上部扭轉(zhuǎn)較明顯 4 張合振動，立柱四個角振型明顯 5 X方向彎曲，頂部及導(dǎo)軌所在面下振型明顯 6 Z方向彎曲，兩側(cè)面中部振型明顯 從前六階固有頻率可以看出，立柱的固有頻率均在 58Hz 以上，且以整體振型居多，充分體現(xiàn)立柱結(jié)構(gòu)整體的剛度較好，結(jié)構(gòu)尺寸均勻，內(nèi)部筋板布置有序合理。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，由于 TK6920 機床的立柱采用底部固定的方式，且立柱尺寸大，因此在大部分階次下，立柱上端振幅較大，振型明顯。最大振幅出現(xiàn)在第六階模態(tài)里，但是對機床影響較大的主要是前幾階模態(tài)，因此不考慮最大振幅。較大的振幅出現(xiàn)在第 五 、第 六 階模態(tài)處，此時立柱處于張合振動的振型，上端振型明顯，可以考慮加強頂板處板厚及加強上端筋板。 小結(jié) 本章利用有限元軟件 ANSYS 對數(shù)控銑床的立柱進行有限元模態(tài)分析， 利用 LANCZOS 法擴展了前六階模態(tài)，獲得了立柱的固有頻率和振型。結(jié)合靜態(tài)與模態(tài)分析結(jié)果表明，立柱的固有頻率較大，動態(tài)性能較好，但結(jié)構(gòu)存在剛度不均的現(xiàn)象，立柱固有頻率值局部較為密集，反映了其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性 。 有很大的改進空間。 某型重型數(shù)控機床床身設(shè)計及模態(tài)仿真分析 23 滑枕模態(tài)分析 滑枕是整個機床中重要的零部件之一 ， 在進行零件加工時，容易產(chǎn)生彎曲變形，導(dǎo)致加工軸線變化，進而影響對零件的加工精度。為滑枕建立有限元模型，進行分析后，根據(jù)云圖顯示，就可以清楚的分析出滑枕的靜態(tài)載荷受力，和動態(tài)振型彎曲變量等等 為 了能夠清楚的 分析 出 滑枕 的靜態(tài)和承受載荷時的彎曲變形量。 根據(jù)已知條件， 滑枕長 m，寬 m，高 m， 將其 安裝在主軸箱上，其最大行程為 m。由于模型較為復(fù)雜，為 方便進行有限元分析 ， 因此 適當(dāng)簡化模型中的倒角、小圓角等，簡化后的模型 如圖 31所示。 圖 321 滑枕三維模型 因為滑枕的幾何體外形不規(guī)則 ， 所以 在 進行 網(wǎng)格劃分時，采用 solid185 單元構(gòu)造三維實體結(jié)構(gòu)，將 單元通過 8 節(jié)點來定義，每個節(jié)點有沿著 X、 Y、 Z 方向平移的 3 個自由度。圖 2 為進行網(wǎng)格劃分后的有限元模型。 圖 322 滑枕劃分網(wǎng)格后的有限元模型 要對模型進行有限元分析必須明確滑枕的受力情況，滑枕所受載荷主要是：主軸箱對其作用力Fr，通過滑枕與主軸箱接觸處的導(dǎo)軌板和鑲條作用在滑枕上；滑枕裝配體內(nèi)部零件對滑枕的重力 G；機床加工時產(chǎn)生的切削力 Fm等。將滑枕伸出主軸箱 400 m作為主要工況分析，經(jīng)過計算 Fr分別為 98 836 N， G=50 000 N， Fm1=27 525 N。邊界條件包括部件的約束條 件、剛性位移等是有限元計算中的關(guān)鍵某型重型數(shù)控機床床身設(shè)計及模態(tài)仿真分析 24 因素。根據(jù)設(shè)計，滑枕 底面通過 4 個導(dǎo)軌板與主軸箱連接，接觸面做 X與 Z向約束，同時滑枕與主軸箱左右兩側(cè)鑲條接觸面做 Z向約束?；聿牧蠈?yīng)的楊氏模量為 1011 Pa，泊松比為 。 滑枕的模態(tài)分析 模態(tài)分析關(guān)心的是結(jié)構(gòu)的固有頻率特性， 對滑枕進行模態(tài)分析，可以得到其動態(tài)特性。分析中采用 Lanczos 法，該方法根據(jù)載荷空間分布模式按一定規(guī)律生成一組向量， 將系統(tǒng)運動方程轉(zhuǎn)換到其向量空間后，求解減縮的標(biāo)準(zhǔn)特征值問題，通過坐標(biāo)系的變換得到系統(tǒng)運動方程的全部或部分特征解。 滑枕的動態(tài)性能反映其結(jié)構(gòu)在動態(tài)切削力作用下的抗振能力，考慮到機床的工作頻帶，滑枕的前幾階模態(tài)起到重要作用。這里對滑枕伸出主軸箱 400m工作狀態(tài)進行模態(tài)分析。表 311顯示了 在這種 工況下前 六 階固有頻率計算結(jié)果， 在滑枕工作時，外界激振頻率應(yīng)遠(yuǎn)離第 2 階固有頻率，防止產(chǎn)生共振現(xiàn)象，造成加工誤差。 前六 階模態(tài)變形云圖見圖 323。 a) 第一階模態(tài)圖 b) 第二階模態(tài)圖 c) 第三階模態(tài)圖 d) 第 四 階模態(tài)圖 某型重型數(shù)控機床床身設(shè)計及模態(tài)仿真分析 25 e) 第 五 階模態(tài)圖 f) 第 六 階模態(tài)圖 圖 323 滑枕 前 六 階模態(tài)圖 表 321 滑枕 結(jié)構(gòu)固有頻率、振幅及振型描述 階數(shù) 固有頻率 f/Hz 振型 1 左端沿 X軸負(fù)方向向下擺動 2 左端沿 X軸負(fù)方向向上擺動 3 左端沿 X軸負(fù)方向向上擺動 4 左端沿 X軸負(fù)方向向上擺動 5 左端沿 X軸負(fù)方向向 上 擺動 6 擺動 整體沿 X軸扭動 從前六階固有頻率可以看出，滑枕的固有頻率相差不大 。 前幾階固有頻率較高，滑枕整體動態(tài)性能較好。 滑枕的第一節(jié)頻率是 ，可以滿足低速加工的需求，第 4階和第 5階的頻率相差較大，但是振型相似，且第 5階的振幅最大。 ，滑枕的固有頻率很大，在 工作時可以避免發(fā)生共振，這表明滑枕整體結(jié)構(gòu)的剛度較好，尺寸均勻，抗震性能較好。 總結(jié) 本節(jié) 建立了大型落地鏜銑床滑枕的三維模型， 并對模型進行合理簡化，將模型導(dǎo)入有限元軟件中，得到了滑枕的有限元模型， 對所得模型進行了靜力分析和模態(tài)分析。 某型重型數(shù)控機床床身設(shè)計及模態(tài)仿真分析 26 床身分析 TK6920重型鏜銑數(shù)控機床主要零部件有，床身，立柱，滑枕，主軸箱等組成。床身在整個機床中有相當(dāng)重要的作用，它位于機床最底部，對整個機床其支撐作用。床身上有一個導(dǎo)軌滑塊，可以讓立柱在床身上進行移動。床身主要承受整個機床的載荷，所以要求床身具有良好的剛度和抗震性能。 床身的受力分析 在進行設(shè)計時，床身底部的設(shè)計是用 38個螺栓將床身底部與地基連接起來 ， 地基與機床的接觸面積過大，所以在分析時不考慮地基的影響， 只是在與地基接觸的所有節(jié)點上加載與底面固定的約束。 (1). 床身自身的重力 床身的尺寸為： 9152 2021 650(單位： mm)； 材料為 HT300，密度為 7400kg/m3,用 SolidWorks 自帶的計算工具得出床身重力為 203998N (2). 立柱、滑座、主軸箱、滑枕、后尾筒、電機、配重等的重力為 500000N 的有限元模型 用 SolidWorks 軟件創(chuàng)建床身的三維模型，然后將三維模型導(dǎo)入 ANSYS軟件中，進行網(wǎng)格劃分最后進行有限元模型分析。 床身底部為了加強剛度，設(shè)計成不規(guī)則的幾何形狀，所以在 ANSYS 網(wǎng)格劃分時，使用 使用SOLID185的三維 8節(jié)點六面體單元。 床身材料是灰鐵 HT300,具體參 數(shù)如下：