2017年5月23日 加工中心床身模態分析及結構改進 海天精工 加工中心 鉆攻中心前言：海天精工 備注：為保證文章的完整度，本文核心內容都PDF格式顯示，如未有顯示請刷新或轉換瀏覽器嘗試，手機瀏覽可能無法正常使用！車銑復合加工中心是把車削和銑削工藝整合，在一臺加工中心上實現對工件的車削和銑削加工，這種整合比分別車削和銑削的加工精度更高[1-«。斜床身動態性能直接影響機床整機性能，特別是對加工中心整機的抗振性能、加工精度等影響較大。分析斜床身結構的固有頻率和振型，可為斜床身設計改進提供依據，避免因共振造成的經濟損失。對機床床身動態性能研宄的方法應用最多的是模態分析法。通過模態分析結果，判斷振型對加工精度的影響，優化改進斜床身，達到加工中心對加工質量和加工精度的使用要求。將低階固有頻率作為動態分析改進設計的優化目標，提高床身固有頻率，有效提高加工中心穩定性，提高對工件的加工精度，為下一步斜床身車銑復合加工中心的改進設計打下基礎⑷。1加工中心床身有限元模型的建立MJ-MOMC/Y配置臥式回輪動力型刀架，加工中心Y軸進給采用虛擬Y軸結構進行平面銑削作業[5]，整機三維模型如圖1所示。1.1模型簡化斜床身結構復雜，難以完全按照實物建立有限元模型。在有限元網格劃分前需簡化斜床身.3簡化的原則是：（1)在CAD建模時力求精確，真實地模擬結構的靜動態特性；（2)直線化和平面化處理CAD模型中的小錐度、小曲面[6]。根據以上原則簡化斜床身的模型：刪除導軌上的所有螺紋孔。車銑復合加工中心整機模型如圖1所示，簡化后斜床身（如圖2所示）結構的力學特性未發生改變，但為后續高效分析計算提供幫助。U定義單元屬性與網格劃分1.2.1定義單元屬性由于斜床身結構復雜，是不規則的幾何體，所以選用四面體單元模擬真實結構，經考慮，選擇S0LID187四面體單元m。1.2.2網格劃分在網格劃分時，需遵循以下幾點原則：（1)模型結構和實際結構盡可能相同；〔2)根據計算精度和計算規模來選擇合適的單元大小；（3)單元體應盡量勻稱齊整<,2模態分析2.1斜床身的村料特性斜床身材料為灰鑄鐵，具體的材料參數見表1。 表1斜床身材料特性 屈服強度/MPa 密度 / (kg/m3) 極限抗拉強度/MPa 泊松比 彈性模量/Pa 對數 衰減率 比熱 / (J/kg • K) 導熱系數/ (W/m • K) 線膨脹系數/ ( u m/m • K) 250.0 7250 250.0 0. 25 1. 35X l〇n 0.004 ?0.009 0. 1 氺 4. 19*103 5. 0 11. 5 基金項目：山東省自主創新及成果轉化專項''高速精密車ft復合虛擬軸加工工藝與裝備開發''。 2.2載荷施加對于包含預應力效應的模態分析，其固有頻率分析結果比不包含預應力時大，更符合實際情況。所以本文采用包含預應力效應的模態分析，對受力情況轉化計算。由于牽扯零件眾多，篇幅有限，其分析過程不做介紹，其受力結果直接給出。加工中心接觸構件示意圖如圖3所示。假定刀架、主軸箱、尾座等部件的材料都為普通碳鋼，將車床模型導入SolideWorks中，得出它們的質量分別為650kg、470kg、240kg。那么，它們對斜床身的作用力即為各自的重力 Gp G2、G3，分別是 6500kg、4700kg、2400kg。這三個力分別施加在它們各自的支撐處。斜床身受到的外力經過計算，分別是GiSGSOON，G2S 4700N，^為2400隊M2*613N.m，M3 為 613N.m[8]。2.3有限元分析及結果討論通過自由劃分網格和掃掠的方法將模型劃分，劃分網格的有限元模型如圖4所示。對斜床身施加約束條件，斜床身是由底面11個螺栓固定在底座上，分別對床身的11個節點施加x、y、z三個方向的完全約束[9]。加工中心工作時，只有少數低階模態起主要作用，所以只分析前六階模態，通過ANSYS Workbench分析求解，分析得到固有頻率和振型，通過模態分析可分析得到各階模態振型（見表2)和振型圖（如圖5?圖10所示）。 表2斜床身前六階固有頻率及振型描述 階次 固有頻率/Hz 振型描述 1 340. 95 整體繞X軸沿z軸向前后擺動，且右上部比較明顯 2 468. 79 中部前后兩側沿X軸彎振，兩側比較明顯 3 494. 4 上側中部左右兩邊沿X軸凹凸振， 且右上部比較明顯 4 555. 88 中部左右兩邊沿X軸彎振，且中部比較明顯 5 688. 29 中部左右兩邊沿Z軸凹凸振 6 699. 85 整體沿Z軸擺振且右上部比較明顯 表4改進前后固有頻率對比 階數 改進前固有頻率/Hz 改進后固有頻率/Hz 增加百分比/% 第一階 340. 95 365. 17 6. 10 第二階 468.79 497.03 5.02 第三階 494. 4 526.2 5.43 第四階 555. 88 590. 36 5.20 第五階 688. 29 724.77 4. 30 第六階 699.85 754.75 6.84 量較大，兩側變形量較小；分析固有頻率可知，前六階固有頻率較低，因此單位剛度較低，穩定性較差。為提高固有頻率，改進其結構尺寸、上導軌和底座厚度。但為保證其加工范圍要求，斜床身主要結構尺寸不變，因此只改進上導軌和底座厚度。具體改進措施為：（1)增加上導軌厚度。改善上導軌結構受力，提高穩定性，保證加工精度；C2)增加底座厚度。增加底座穩定性，減小變形量，增加斜床身穩定性。改進后底座結構加工工藝難度與改進前相比相差較小。上導軌承擔托板的垂直方向和水平方向載荷，改善了導軌受力狀態，更適合精密元件加工。改進后的斜床身模型如圖11所示。對改進后斜床身模型進行模態分析，通過模態分析可分析得到各階模態振型〔見表3)和振型圖〔如圖12?圖17所示）。 圖11改進后的斜床身模型 表3斜f 艮身前六階固有頻率及振型描述 階次 固有頻率/Hz 振型描述 1 365. 17 整體繞X軸沿z軸向前后擺動，且右上部比較明顯 2 497.03 中部前后兩側沿X軸彎振，兩側比較明顯 3 526. 2 上側中部左右兩邊沿X軸凹凸振，且右上部比較明顯 4 590.36 中部左右兩邊沿X軸彎振，且中部比較明顯 5 724. 77 中部左右兩邊沿Z軸凹凸振 6 754. 75 整體沿Z軸擺振且右上部比較明顯 4結語(1) 利用MSYS Workbench有限元軟件對斜床身進行模態分析，分析得到各階模態振型圖和斜床身變形特點，確定影響加工中心動態特性的主要因素為上導軌和底座。(2) 優化改進斜床身的上導軌和底座，與原結構相比，加工工藝難度相差較小，改善了上導軌的受力狀態，加工中心穩定性和加工精度得到提高。(3) 對比改進前后斜床身模態分析結果，前三階固有頻率改進后分別提高6. 10%、5. 02%和5. 43%,斜床身結構剛度得到改善，穩定性和加工精度得到提高，為下一步斜床身車銑復合加工中心的改進設計打下基礎海天精工是一家集銷售、應用及服務于一體的公司。產品包括：CNC加工中心、鉆攻中心、龍門加工中心、雕銑機、石墨機、五軸加工中心、立式加工中心、臥式加工中心等。我們機床的生產工廠設在廣東省寧波市，目前其生產的加工中心70%出口，其中出口到歐洲占到50%。我們盡心、盡力、盡意的服務！聲明：本站文章均來自網絡，所有內容不代表本站觀點，本站不承擔任何法律責任！ ? 上一篇 840D數控系統的加工中心功率在線監控方法研究下一篇 ? 數控加工中心裝調與維修專業人才調研的思考