【導(dǎo)讀】精度、高速度、高效率的道路。近些年來(lái)，我國(guó)企業(yè)的數(shù)控機(jī)床占有率正在逐步上升，其中大型高。效的數(shù)控機(jī)床也成為了用戶(hù)的首選。但是由于其結(jié)構(gòu)龐大、設(shè)備噸位重、制造費(fèi)用高，有必要進(jìn)行。預(yù)先的計(jì)算、仿真，讓設(shè)計(jì)者對(duì)機(jī)床的特性有一個(gè)全面的了解，進(jìn)而使整個(gè)設(shè)計(jì)更加的完善。ANSYS作為分析工具，對(duì)其進(jìn)行分析靜力分析和動(dòng)態(tài)特性分析。對(duì)床身和立柱進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算，運(yùn)用CAD進(jìn)行二維圖繪制。運(yùn)用solidworks進(jìn)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(jìn)行對(duì)床身，立柱，滑枕，及整機(jī)靜態(tài)剛度分析。及整機(jī)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(jì)是否符合要求，以及需要進(jìn)行優(yōu)化的。在此，我謹(jǐn)記導(dǎo)師這四個(gè)月來(lái)對(duì)。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(qián)城同學(xué)。究，讓整個(gè)研究過(guò)程進(jìn)行的順利，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)。

　　

【正文】 ： 10 齒 工件材料 機(jī)械性能 硬度 HB： 207 ~ 229 強(qiáng)度 GPa： ~ 加工形式 不對(duì)稱(chēng)逆銑； 端銑刀 主軸轉(zhuǎn)速 160 rpm 銑削深度 mm 銑削寬度 mm 進(jìn)給量 mm/Z 銑削速度 m/min 某型重型數(shù)控機(jī)床床身設(shè)計(jì)及模態(tài)仿真分析 17 由此條件計(jì)算得到主切削力 Fc = ，徑向切削力 Fz = ，軸向切削力 Fx =。此時(shí)機(jī)床受到最大徑向切削力。 （ 2） 機(jī)床在鏜削加工時(shí)，計(jì)算條件如下表： 表 312 鏜削工況下的切削力計(jì)算條件 刀具材料 硬質(zhì)合金 工件材料 結(jié)構(gòu)鋼類(lèi) 刀具幾何參數(shù) 主偏角： 45176。 前角： 10176。 工件材料 機(jī)械性能 硬度 HB： 207 ~ 229 強(qiáng)度 GPa： ~ 加工形式 雙刀鏜削 主軸轉(zhuǎn)速 35 rpm 銑削深度 mm 進(jìn)給量 s 1 mm/r 加工孔徑Φ 600 mm 由此條件計(jì)算得到主切削力 Fc = ，徑向切削力 Fz = ，軸向切削力 Fx = N。此時(shí)機(jī)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(shí)不考慮這種情況。 受力分析 立柱結(jié)構(gòu)在機(jī)床滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)加工時(shí)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(jī)床床身設(shè)計(jì)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(jī)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(dòng)。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(guò)以上受力分析，將約束與各個(gè)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(jì)算與分析結(jié)果 進(jìn)入求解器 Main MenuSolutionSloveCurrent LS 求解。求解完成后，進(jìn)入通用后處理器觀察計(jì)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(shí)的位移場(chǎng)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(shí)的位移場(chǎng)分布如圖 315 所示： 某型重型數(shù)控機(jī)床床身設(shè)計(jì)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(diǎn)有關(guān)，因?yàn)榱⒅鶠橹鶢罱Y(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(shí)際情況。 立柱結(jié)構(gòu)的剛性反映在整個(gè)機(jī)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(shí)的位移云圖上這一點(diǎn)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(duì)機(jī)床的加工精度具有一定影響?？傮w來(lái)看立柱導(dǎo)軌特別是主軸箱所在位置的變形最大不超過(guò) ，這說(shuō)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(qiáng)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如添加加強(qiáng)筋等措施，來(lái)更進(jìn)一步提高其剛度，進(jìn)而提高整體機(jī)床的加工精度。 某型重型數(shù)控機(jī)床床身設(shè)計(jì)及模態(tài)仿真分析 20 (2) 鏜削時(shí)的位移場(chǎng)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(wú)論是 X 方向、 Y 方向還是 Z 方向的位移都很小，說(shuō)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(jī)床床身設(shè)計(jì)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(jī)床床身設(shè)計(jì)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(lái)回?cái)[動(dòng)，上部振型明顯 2 沿 Z軸方向來(lái)回?cái)[動(dòng)，上部振型明顯 3 繞 Y軸扭曲振動(dòng)，上部扭轉(zhuǎn)較明顯 4 張合振動(dòng)，立柱四個(gè)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(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn)，由于 TK6920 機(jī)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(duì)機(jī)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(shí)立柱處于張合振動(dòng)的振型，上端振型明顯，可以考慮加強(qiáng)頂板處板厚及加強(qiáng)上端筋板。 小結(jié) 本章利用有限元軟件 ANSYS 對(duì)數(shù)控銑床的立柱進(jìn)行有限元模態(tài)分析， 利用 LANCZOS 法擴(kuò)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(dòng)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(jìn)空間。 某型重型數(shù)控機(jī)床床身設(shè)計(jì)及模態(tài)仿真分析 23 滑枕模態(tài)分析 滑枕是整個(gè)機(jī)床中重要的零部件之一 ， 在進(jìn)行零件加工時(shí)，容易產(chǎn)生彎曲變形，導(dǎo)致加工軸線(xiàn)變化，進(jìn)而影響對(duì)零件的加工精度。為滑枕建立有限元模型，進(jìn)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(dòng)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(shí)的彎曲變形量。 根據(jù)已知條件， 滑枕長(zhǎng) 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(jìn)行有限元分析 ， 因此 適當(dāng)簡(jiǎn)化模型中的倒角、小圓角等，簡(jiǎn)化后的模型 如圖 31所示。 圖 321 滑枕三維模型 因?yàn)榛淼膸缀误w外形不規(guī)則 ， 所以 在 進(jìn)行 網(wǎng)格劃分時(shí)，采用 solid185 單元構(gòu)造三維實(shí)體結(jié)構(gòu)，將 單元通過(guò) 8 節(jié)點(diǎn)來(lái)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有沿著 X、 Y、 Z 方向平移的 3 個(gè)自由度。圖 2 為進(jìn)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(duì)模型進(jìn)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(duì)其作用力Fr，通過(guò)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(duì)滑枕的重力 G；機(jī)床加工時(shí)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(guò)計(jì)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(jì)算中的關(guān)鍵某型重型數(shù)控機(jī)床床身設(shè)計(jì)及模態(tài)仿真分析 24 因素。根據(jù)設(shè)計(jì)，滑枕 底面通過(guò) 4 個(gè)導(dǎo)軌板與主軸箱連接，接觸面做 X與 Z向約束，同時(shí)滑枕與主軸箱左右兩側(cè)鑲條接觸面做 Z向約束?；聿牧蠈?duì)應(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(duì)滑枕進(jìn)行模態(tài)分析，可以得到其動(dòng)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(yùn)動(dòng)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(wèn)題，通過(guò)坐標(biāo)系的變換得到系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程的全部或部分特征解。 滑枕的動(dòng)態(tài)性能反映其結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)切削力作用下的抗振能力，考慮到機(jī)床的工作頻帶，滑枕的前幾階模態(tài)起到重要作用。這里對(duì)滑枕伸出主軸箱 400m工作狀態(tài)進(jìn)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(jì)算結(jié)果， 在滑枕工作時(shí)，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(jiàn)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(jī)床床身設(shè)計(jì)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(dòng) 2 左端沿 X軸負(fù)方向向上擺動(dòng) 3 左端沿 X軸負(fù)方向向上擺動(dòng) 4 左端沿 X軸負(fù)方向向上擺動(dòng) 5 左端沿 X軸負(fù)方向向 上 擺動(dòng) 6 擺動(dòng) 整體沿 X軸扭動(dòng) 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(dòng)態(tài)性能較好。 滑枕的第一節(jié)頻率是 ，可以滿(mǎn)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(shí)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(duì)模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)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(duì)所得模型進(jìn)行了靜力分析和模態(tài)分析。 某型重型數(shù)控機(jī)床床身設(shè)計(jì)及模態(tài)仿真分析 26 床身分析 TK6920重型鏜銑數(shù)控機(jī)床主要零部件有，床身，立柱，滑枕，主軸箱等組成。床身在整個(gè)機(jī)床中有相當(dāng)重要的作用，它位于機(jī)床最底部，對(duì)整個(gè)機(jī)床其支撐作用。床身上有一個(gè)導(dǎo)軌滑塊，可以讓立柱在床身上進(jìn)行移動(dòng)。床身主要承受整個(gè)機(jī)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(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，床身底部的設(shè)計(jì)是用 38個(gè)螺栓將床身底部與地基連接起來(lái) ， 地基與機(jī)床的接觸面積過(guò)大，所以在分析時(shí)不考慮地基的影響， 只是在與地基接觸的所有節(jié)點(diǎn)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(jì)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(jī)、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(jìn)行網(wǎng)格劃分最后進(jìn)行有限元模型分析。 床身底部為了加強(qiáng)剛度，設(shè)計(jì)成不規(guī)則的幾何形狀，所以在 ANSYS 網(wǎng)格劃分時(shí)，使用 使用SOLID185的三維 8節(jié)點(diǎn)六面體單元。 床身材料是灰鐵 HT300,具體參 數(shù)如下：