數(shù)控立銑鞍座副翼軌裝置的設(shè)計、分析與優(yōu)化

鄭進亮，曾海泉，吳新良，林川弘

(1.廈門理工學(xué)院機械與汽車工程學(xué)院,福建廈門361024; 2.廈門大金機械有限公司,福建廈門361100)

數(shù)控立銑鞍座副翼軌裝置的設(shè)計、分析與優(yōu)化

鄭進亮1，曾海泉1，吳新良1，林川弘2

(1.廈門理工學(xué)院機械與汽車工程學(xué)院,福建廈門361024; 2.廈門大金機械有限公司,福建廈門361100)

針對某型數(shù)控立式銑床剛性較差的問題，提出在銑床底座上增加副翼軌裝置來提高機床的剛性與穩(wěn)定性.利用Solidworks對該銑床改進前后的結(jié)構(gòu)進行三維建模，用HyperMesh對增加副翼軌裝置前后銑床的鞍座進行靜力分析，并對2種底座進行模態(tài)分析，比較了分析結(jié)果并對副翼軌底座結(jié)構(gòu)進行拓樸優(yōu)化.變形計算和模態(tài)分析結(jié)果表明，副翼軌裝置對于提高該型號數(shù)控銑床的剛性和穩(wěn)定性有重要作用.

數(shù)控銑床；鞍座；副翼軌；優(yōu)化；靜力分析；模態(tài)分析

數(shù)控立式銑床是最常用的數(shù)控機床之一,廣泛應(yīng)用于車輛工程、航空航天、電子電氣、機械制造、精密模具等各行各業(yè).隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展,我國數(shù)控機床行業(yè)的競爭愈來愈激烈.因此,提高數(shù)控機床的產(chǎn)品品質(zhì),改進數(shù)控機床的結(jié)構(gòu),提高其加工精度,便成為關(guān)乎企業(yè)生存發(fā)展的迫切需求.為此,國內(nèi)外數(shù)控機床研發(fā)生產(chǎn)單位進行了大量研究［1－10］.其中,李旭紅改進了機床的導(dǎo)軌結(jié)構(gòu),提高了機床加工精度［3］；M.Zatarain等利用有限元分析軟件對數(shù)控銑床的有限元模型進行模態(tài)分析,找出設(shè)計中的薄弱環(huán)節(jié),并對機床進行改進和優(yōu)化［7］,但效果均不很理想.本文提出對某型數(shù)控立式銑床的底座進行改進,在底座增加可微調(diào)的副翼軌裝置,并對改進前后的結(jié)構(gòu)進行靜動態(tài)性能分析與研究,本研究大幅度增加了鞍座的剛性及穩(wěn)定性.

1 副翼軌裝置及銑床主要部件結(jié)構(gòu)設(shè)計

普通數(shù)控立式加工銑床工作臺整體結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示.當(dāng)重工件位移至鞍座左右兩翼時,鞍座的兩翼會產(chǎn)生較大的質(zhì)量變動,伴隨翻轉(zhuǎn)力矩,產(chǎn)生微量變形,從而產(chǎn)生形位精度微量降低,影響機床加工精度及穩(wěn)定性.在普通數(shù)控機床底座上增加可微調(diào)的副翼軌,增加鞍座支撐軌數(shù)量,以此來提高機床的穩(wěn)定性和剛性,如圖1(b)所示.考慮到使用磨損,副翼軌由2個楔形塊組成,當(dāng)其磨損后,可以調(diào)整兩楔形塊相對位置,進行磨損補償.

圖1 增加副翼軌裝置前后數(shù)控銑床床身結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of CNC milling machine and the lathe

2 增加副翼軌前后銑床鞍座靜力分析對比

通過Solidworks2012對數(shù)控銑床底座進行三維建模,得到其幾何模型,如圖2所示.

圖2 增加副翼軌后底座三維幾何模型Fig.2 Structure of the base

2.1 有限元模型的建立

采用Tetramesh網(wǎng)格劃分法對底座－鞍座結(jié)構(gòu)進行四面體單元的網(wǎng)格劃分,單元大小為20 mm.

2.2 有限元計算結(jié)果

副翼軌材料為HT200,彈性模量E＝0.15 TPa,泊松比μ＝0.26.在地腳螺栓處添加6個自由度方向的全約束,鞍座與底座在結(jié)合面處采用剛性連接,工件及工作臺的重力、主切削力F＝2.651 kN全都垂直作用在鞍座的導(dǎo)軌上,再考慮鞍座與底座的自重.結(jié)構(gòu)變化前后受力及變形情況如圖3～4所示.

圖3 等效應(yīng)力分布對比圖Fig.3 Equivalent stress distribution

圖4 總體變形分布圖Fig.4 Overall deformation distribution

2.3 鞍座有限元靜力分析結(jié)果對比

傳統(tǒng)底座－鞍座結(jié)構(gòu)與副翼軌底座－鞍座結(jié)構(gòu)的有限元靜力分析結(jié)果如表1所示.

表1 鞍座靜力分析對比Table 1 Contrast of static analysis

1)應(yīng)力分析對比：從表1可以看出,傳統(tǒng)底座－鞍座結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力值為17.86 MPa,出現(xiàn)在兩個主導(dǎo)軌與鞍座的結(jié)合面處,當(dāng)加工工件質(zhì)量較大時,有可能會出現(xiàn)應(yīng)力集中.副翼軌底座－鞍座結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力為12.37 MPa,位于主副導(dǎo)軌結(jié)合面處,相對于之前的結(jié)構(gòu),最大等效應(yīng)力值減少了5.49 MPa,減少幅度達到30.74%,很大程度上提高了鞍座的強度和可靠性,而且應(yīng)力分布較為均勻,特別適用于大型工件的加工.

2)變形分析對比：傳統(tǒng)底座－鞍座結(jié)構(gòu)的變形主要集中在鞍座左右兩端,持續(xù)工作的情況下對鞍座的磨損、使用壽命負面影響會很大.在底座上增加副翼軌裝置后,作為鞍座的承載件,鞍座的支撐面由原來的2個變成現(xiàn)在的4個,鞍座總體變形大幅度降低,減少幅度達到55.05%,剛度和穩(wěn)定性大大提高.

3 增加副翼軌前后銑床底座模態(tài)分析對比

分析采用靜力分析底座結(jié)構(gòu)的有限元模型.因為影響機床動態(tài)性能最主要的因素是第1階、第2階固有頻率,因此提取前2階固有頻率和振型進行對比,如圖5～6所示.

圖5 第1階模態(tài)振型對比Fig.5 First modals of the base

圖6 第2階模態(tài)振型對比Fig.6 Second modals of the base

2種底座結(jié)構(gòu)固有頻率如表2所示.新增鞍座副翼軌裝置的底座與傳統(tǒng)的只有2個主導(dǎo)軌的底座相比,各階固有頻率均有不同程度提高.這就驗證了新增鞍座副翼軌后,數(shù)控銑床底座的動剛度得到有效地提高,這就提高了數(shù)控銑床加工過程中的穩(wěn)定性,對提高機床的加工精度有著重要的作用.

表2 2種底座結(jié)構(gòu)頻率對比Table 2 Contrast of modal analysis

4 副翼軌底座結(jié)構(gòu)優(yōu)化

選用ICM方法對副翼軌底座結(jié)構(gòu)進行拓撲優(yōu)化,以結(jié)構(gòu)的多階固有頻率作為目標函數(shù),體積作為約束條件,拓撲優(yōu)化問題用函數(shù)表達式描述為

式 (1)中；Vr為r號約束條件下對應(yīng)體積；為第r號約束條件下體積上限值；R為體積的約束總數(shù)；N為單元數(shù)量；g(ti)為所引入的過濾函數(shù),取g(tt) ＝,F ＝ a0/f1＋a1/f2＋… ＋an－1/fn.其中,fn表示結(jié)構(gòu)的n階固有頻率, an－1表示該固有頻率的加權(quán)系數(shù).優(yōu)化時,對各階固有頻率優(yōu)化的目標不同時,不一樣的加權(quán)系數(shù)代表所優(yōu)化目標的重要性,加權(quán)系數(shù)越大,它所對應(yīng)的固有頻率就越重要.

因底座低階頻率對機床剛度和穩(wěn)定性影響最大,這里取前3階固有頻率為優(yōu)化目標,則目標函數(shù)為F＝1/f1＋1/f2＋1/f3,體積約束范圍為Vol1(0.1～0.3).優(yōu)化前后底座結(jié)構(gòu)如圖7所示.

圖7 優(yōu)化前后的底座結(jié)構(gòu)Fig.7 Base before and after optimization

改進主要在以下方面：1)在底座底部和兩側(cè)部位開出適當(dāng)?shù)某錾翱祝?)改變副翼軌下面的加強筋的形狀和個數(shù)；3)減少底座底部的壁厚；4)改變地腳螺栓的位置,增加地腳螺栓的數(shù)量,合理改變約束的位置.對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進行有限元模態(tài)分析,優(yōu)化后底座結(jié)構(gòu)剛性性能如表3所示.

表3 優(yōu)化前后副翼軌底座前2階固有頻率對比Table 3 First two natural frequencies of the base with assistant saddle guide rail

副翼軌底座優(yōu)化前質(zhì)量為3 547.6 kg,優(yōu)化后為3 416.8 kg,同比減輕了3.69%.優(yōu)化后底座的質(zhì)量基本保持不變,底座的前三階模態(tài)固有頻率明顯提高,整體剛度增加,動態(tài)性能明顯提高,達到了預(yù)期的優(yōu)化效果.

5 結(jié)論

1)針對某數(shù)控立式銑床剛性較差的問題,提出在數(shù)控立式加工銑床底座上設(shè)立鞍座副翼軌裝置,裝置利用兩楔形塊來補償磨損,用Solidworks建立了底座的幾何模型.

2)對2種底座承載的鞍座進行了有限元靜力分析,對比了設(shè)置副翼軌裝置前后的應(yīng)力與變形情況,驗證了底座增加副翼軌裝置后,鞍座穩(wěn)定性和剛度均得到不同程度的提高.

3)對2種底座進行了模態(tài)分析.通過模態(tài)分析對比發(fā)現(xiàn),新增鞍座副翼軌后,底座的固有頻率得到了不同程度的提高,動態(tài)特性良好.

4)對副翼軌底座結(jié)構(gòu)設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié)進行了拓撲優(yōu)化.通過優(yōu)化,底座的最小頻率由374 Hz提高到398.08 Hz,整體質(zhì)量減少130 kg,而且各階的模態(tài)也明顯分離,動態(tài)性能明顯提高.

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Design and Development of the Assistant Saddle Guide Rail on the CNC Vertical Milling Machine

ZHENG Jin-liang1，ZENG Hai-quan1，WU Xin-liang1，LIN Chuan-hong2
（1.School of Mechanical＆Automotive Engineering，Xiamen University of Technology，Xiamen 361024，China；2.Takam Machinery Co.，Ltd.，Xiamen 361100，China）

In this paper，a pair of assistant saddle guide rails were added on the base of the CNC machine，which improved stability and stiffness of the CNC vertical milling machine.A three-dimensional model of the CNC milling machine was created based on Solidworks.Static analysis of the saddle supported by traditional base and new base was made on the finite element analysis software HyperMesh.Modal analysis of bases with assistant saddle guide rails and without assistant saddle guide rails was also made on the same software.The calculating result shows that the assistant saddle guide rail plays an important role in improving the machine's stiffness and stability.

CNC milling machine；saddle；assistant saddle guide rail；optimum design；static analysis；modal analysis

TH161.5

A

1673－4432（2015）05－0012－05

（責(zé)任編輯 李 寧）

2015－06－15

2015－10－01

福建省教育廳基金項目 (JB13158)；廈門市同安區(qū)科技局科技計劃項目

鄭進亮 (1989－),男,碩士研究生,研究方向為機電一體化技術(shù).通訊作者：曾海泉 (1963－),男,教授,博士,研究方向為機電一體化.E-mail：hqzeng＠xmut.edu.cn