加工中心床身模态分析及结构改进
海天精工 加工中心 钻攻中心前言：海天精工 备注：为保证文章的完整度，本文核心内容都PDF格式显示，如未有显示请刷新或转换浏览器尝试，手机浏览可能无法正常使用！车铣复合加工中心是把车削和铣削工艺整合，在一台加工中心上实现对工件的车削和铣削加工，这种整合比分别车削和铣削的加工精度更高[1-«。斜床身动态性能直接影响机床整机性能，特别是对加工中心整机的抗振性能、加工精度等影响较大。分析斜床身结构的固有频率和振型，可为斜床身设计改进提供依据，避免因共振造成的经济损失。对机床床身动态性能研宄的方法应用最多的是模态分析法。通过模态分析结果，判断振型对加工精度的影响，优化改进斜床身，达到加工中心对加工质量和加工精度的使用要求。将低阶固有频率作为动态分析改进设计的优化目标，提高床身固有频率，有效提高加工中心稳定性，提高对工件的加工精度，为下一步斜床身车铣复合加工中心的改进设计打下基础⑷。1加工中心床身有限元模型的建立MJ-MOMC/Y配置卧式回轮动力型刀架，加工中心Y轴进给采用虚拟Y轴结构进行平面铣削作业[5]，整机三维模型如图1所示。1.1模型简化斜床身结构复杂，难以完全按照实物建立有限元模型。在有限元网格划分前需简化斜床身.3简化的原则是：（1)在CAD建模时力求精确，真实地模拟结构的静动态特性；（2)直线化和平面化处理CAD模型中的小锥度、小曲面[6]。根据以上原则简化斜床身的模型：删除导轨上的所有螺纹孔。车铣复合加工中心整机模型如图1所示，简化后斜床身（如图2所示）结构的力学特性未发生改变，但为后续高效分析计算提供帮助。U定义单元属性与网格划分1.2.1定义单元属性由于斜床身结构复杂，是不规则的几何体，所以选用四面体单元模拟真实结构，经考虑，选择S0LID187四面体单元m。1.2.2网格划分在网格划分时，需遵循以下几点原则：（1)模型结构和实际结构尽可能相同；〔2)根据计算精度和计算规模来选择合适的单元大小；（3)单元体应尽量匀称齐整<,2模态分析2.1斜床身的村料特性斜床身材料为灰铸铁，具体的材料参数见表1。 表1斜床身材料特性 屈服强度/MPa 密度 / (kg/m3) 极限抗拉强度/MPa 泊松比 弹性模量/Pa 对数 衰减率 比热 / (J/kg • K) 导热系数/ (W/m • K) 线膨胀系数/ ( 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 基金项目：山东省自主创新及成果转化专项''高速精密车ft复合虚拟轴加工工艺与装备开发''。 2.2载荷施加对于包含预应力效应的模态分析，其固有频率分析结果比不包含预应力时大，更符合实际情况。所以本文采用包含预应力效应的模态分析，对受力情况转化计算。由于牵扯零件众多，篇幅有限，其分析过程不做介绍，其受力结果直接给出。加工中心接触构件示意图如图3所示。假定刀架、主轴箱、尾座等部件的材料都为普通碳钢，将车床模型导入SolideWorks中，得出它们的质量分别为650kg、470kg、240kg。那么，它们对斜床身的作用力即为各自的重力 Gp G2、G3，分别是 6500kg、4700kg、2400kg。这三个力分别施加在它们各自的支撑处。斜床身受到的外力经过计算，分别是GiSGSOON，G2S 4700N，^为2400队M2*613N.m，M3 为 613N.m[8]。2.3有限元分析及结果讨论通过自由划分网格和扫掠的方法将模型划分，划分网格的有限元模型如图4所示。对斜床身施加约束条件，斜床身是由底面11个螺栓固定在底座上，分别对床身的11个节点施加x、y、z三个方向的完全约束[9]。加工中心工作时，只有少数低阶模态起主要作用，所以只分析前六阶模态，通过ANSYS Workbench分析求解，分析得到固有频率和振型，通过模态分析可分析得到各阶模态振型（见表2)和振型图（如图5〜图10所示）。 表2斜床身前六阶固有频率及振型描述 阶次 固有频率/Hz 振型描述 1 340. 95 整体绕X轴沿z轴向前后摆动，且右上部比较明显 2 468. 79 中部前后两侧沿X轴弯振，两侧比较明显 3 494. 4 上侧中部左右两边沿X轴凹凸振， 且右上部比较明显 4 555. 88 中部左右两边沿X轴弯振，且中部比较明显 5 688. 29 中部左右两边沿Z轴凹凸振 6 699. 85 整体沿Z轴摆振且右上部比较明显 表4改进前后固有频率对比 阶数 改进前固有频率/Hz 改进后固有频率/Hz 增加百分比/% 第一阶 340. 95 365. 17 6. 10 第二阶 468.79 497.03 5.02 第三阶 494. 4 526.2 5.43 第四阶 555. 88 590. 36 5.20 第五阶 688. 29 724.77 4. 30 第六阶 699.85 754.75 6.84 量较大，两侧变形量较小；分析固有频率可知，前六阶固有频率较低，因此单位刚度较低，稳定性较差。为提高固有频率，改进其结构尺寸、上导轨和底座厚度。但为保证其加工范围要求，斜床身主要结构尺寸不变，因此只改进上导轨和底座厚度。具体改进措施为：（1)增加上导轨厚度。改善上导轨结构受力，提高稳定性，保证加工精度；C2)增加底座厚度。增加底座稳定性，减小变形量，增加斜床身稳定性。改进后底座结构加工工艺难度与改进前相比相差较小。上导轨承担托板的垂直方向和水平方向载荷，改善了导轨受力状态，更适合精密元件加工。改进后的斜床身模型如图11所示。对改进后斜床身模型进行模态分析，通过模态分析可分析得到各阶模态振型〔见表3)和振型图〔如图12〜图17所示）。 图11改进后的斜床身模型 表3斜f 艮身前六阶固有频率及振型描述 阶次 固有频率/Hz 振型描述 1 365. 17 整体绕X轴沿z轴向前后摆动，且右上部比较明显 2 497.03 中部前后两侧沿X轴弯振，两侧比较明显 3 526. 2 上侧中部左右两边沿X轴凹凸振，且右上部比较明显 4 590.36 中部左右两边沿X轴弯振，且中部比较明显 5 724. 77 中部左右两边沿Z轴凹凸振 6 754. 75 整体沿Z轴摆振且右上部比较明显 4结语(1) 利用MSYS Workbench有限元软件对斜床身进行模态分析，分析得到各阶模态振型图和斜床身变形特点，确定影响加工中心动态特性的主要因素为上导轨和底座。(2) 优化改进斜床身的上导轨和底座，与原结构相比，加工工艺难度相差较小，改善了上导轨的受力状态，加工中心稳定性和加工精度得到提高。(3) 对比改进前后斜床身模态分析结果，前三阶固有频率改进后分别提高6. 10%、5. 02%和5. 43%,斜床身结构刚度得到改善，稳定性和加工精度得到提高，为下一步斜床身车铣复合加工中心的改进设计打下基础海天精工是一家集销售、应用及服务于一体的公司。产品包括：CNC加工中心、钻攻中心、龙门加工中心、雕铣机、石墨机、五轴加工中心、立式加工中心、卧式加工中心等。我们机床的生产工厂设在广东省宁波市，目前其生产的加工中心70%出口，其中出口到欧洲占到50%。我们尽心、尽力、尽意的服务！声明：本站文章均来自网络，所有内容不代表本站观点，本站不承担任何法律责任！