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摘 要：橫梁是龍門加工中心機械結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵的部件，其靜動態(tài)特性直接影響龍門加工中心的性能以及加工質(zhì)量。分析了龍門加工中心結(jié)構(gòu)的特點，運用有限元分析法對橫梁結(jié)構(gòu)靜動態(tài)特性進(jìn)行了分析，根據(jù)分析結(jié)果，優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計了該龍門加工中心橫梁結(jié)構(gòu)，以能進(jìn)一步提高其加工質(zhì)量。
關(guān)鍵詞：加工中心；橫梁；結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計
近幾年，隨著我國航空航天、汽車、鐵路、機床行業(yè)的不斷發(fā)展，龍門加工中心機床以加工質(zhì)量高、跨度大、剛度高以及效率高等諸多優(yōu)點已經(jīng)成為制造行業(yè)中大型零件加工的核心。而龍門加工中心性能的好壞將會直接影響零件加工的質(zhì)量以及加工的精度。龍門加工中心橫梁部件的靜態(tài)特性和動態(tài)特性是影響加工中心性能的主要因素[1]。因此，對現(xiàn)有的橫梁結(jié)構(gòu)作一些優(yōu)化改進(jìn)，以達(dá)到龍門加工中心對橫梁的要求成為當(dāng)前亟待解決的問題。本文運用有限元分析法對橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了動靜態(tài)進(jìn)行分析，最終得到了橫梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計改進(jìn)方案。
1 、龍門加工中心以及橫梁部件的結(jié)構(gòu)特點
龍門加工中心主要由工作臺、主軸箱以及冷卻箱、橫梁、滑枕以及滑座等零部件組成，整體結(jié)構(gòu)圖如圖 1 所示。此加工中心主要由雙墻式側(cè)梁結(jié)構(gòu)支撐橫梁。其中橫梁部件主要包括主軸箱、滑鞍以及主軸和橫梁等零部件，其主要沿著雙墻式側(cè)梁上的導(dǎo)軌實現(xiàn)進(jìn)給運動，進(jìn)給運動方向主要為 X 軸運動方向。橫梁部件還承載著滑枕以及滑座等部件，其中滑枕主要在滑座上進(jìn)行上下運動，而滑座在橫梁上主要沿著導(dǎo)軌進(jìn)行左右運動。在龍門加工中心作業(yè)過程中，當(dāng)滑枕運行到最低點，滑座處于橫梁的中間位置時，橫梁的彎曲變形能力將達(dá)到最大，從而對橫梁部件形成集中載荷，導(dǎo)致橫梁產(chǎn)生最大的彎曲變形。另外，為了保證快速準(zhǔn)確的加工，在作業(yè)時，橫梁部件會受到自身重力以及加工過程中產(chǎn)生的加減速慣性力和復(fù)雜切屑力的作用，橫梁部件成為較為薄弱的環(huán)節(jié)。因此，有學(xué)者提出[2]，橫梁作為龍門加工中心最為關(guān)鍵的部位，只有保持良好的動態(tài)性能和靜態(tài)性能，才能夠?qū)崿F(xiàn)大重型工件的加工和保證其達(dá)到高速運轉(zhuǎn)的要求。
圖 1 龍門加工中心整體結(jié)構(gòu)簡化圖
2 、基于有限元分析法的橫梁結(jié)構(gòu)的靜動態(tài)分析
本文重點研究龍門加工中心橫梁部件最大彎曲變形時的狀態(tài)。通過運用三維軟件 Soid Works 進(jìn)行構(gòu)建實體模型，在實體模型構(gòu)建的過程中，為了保證運算效率以及運算精度，對橫梁相關(guān)組件進(jìn)行的簡化，最后通過采用有限元分析軟件對橫梁結(jié)構(gòu)的動靜態(tài)特性作了詳細(xì)分析。
2.1 橫梁模型的構(gòu)建
基于 So id Works 構(gòu)建的實體模型，其中橫梁、滑座等為鑄造件，設(shè)置材料為 HT250，材料屬性設(shè)置為：密度 7 200 kg/m3，泊松比 0.27，彈性模量 1.3×105 MPa.將裝配好的橫梁結(jié)構(gòu)實體模型導(dǎo)入 ANSYSWorkbench 有限元分析軟件中，然后通過運用有限元分析元件對橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分。由于網(wǎng)格的劃分好壞將會直接影響有限元分析軟件計算的速度和精確度[3]，基于此本研究主要通過運用 Solid45 單元結(jié)構(gòu)，其中單元結(jié)構(gòu)設(shè)定在 80mm，最后通過采用自由網(wǎng)格劃分法，最終得到橫梁部件的有限元模型，如圖 2 所示。
其中自由網(wǎng)格劃分屬于自動化程度最高的網(wǎng)格劃分技術(shù)之一，其不僅可在面上自動生成三角形或四邊形的網(wǎng)格，同時在體上也能自動生成四面體網(wǎng)格，既省時間又省力[4]。另外在網(wǎng)格劃分的過程，為了保證運算的精度和效率，僅僅保留了橫梁和立柱及其相關(guān)零部件，以簡化模型。同時還應(yīng)將三維型中的倒角、倒圓、凸臺等小特征忽略掉，并采用
平面化和直線化對三維模型中的小曲率曲面和小錐度進(jìn)行處理。
圖 2 橫梁部件的有限元模型
2.2 約束與載荷分析
由于橫梁與立柱之間主要采用螺栓連接，對橫梁的約束主要是通過對橫梁上與固定螺栓位置相對應(yīng)的螺紋孔的自由度作為條件，也就是通過固定螺栓相對應(yīng)的螺紋孔的自由度達(dá)到對橫梁的約束。同時還應(yīng)在橫梁彎曲變形最大的位置處進(jìn)行施加載荷，最后根據(jù)力學(xué)模型計算出載荷力所轉(zhuǎn)化成的壓力，并作用在工作面上，施加自身重力。另外，橫梁部
件在作業(yè)的過程中，其所承受的力包括自身重力、切屑加工過程中的切屑力、固定部件和移動部件相對運動過程的摩擦力、慣性力、振動干擾力以及各部件加工中所產(chǎn)生的熱應(yīng)力等。為了方便計算分析，在分析的過程中，將橫梁組件各接觸變形看做剛性接觸，通過運用布爾運算[5]將橫梁各組件之間作為一個整體。而將橫梁組件的自身重力看作為施加的載荷；切屑力只考慮主軸系統(tǒng) X 向切屑力；最后通過進(jìn)行有限元分析。
2.3 結(jié)果分析
龍門加工中心靜力學(xué)分析的目的主要是為了對加工中心靜剛度的確定。本研究所分析的龍門加工中心的橫梁受力部件主要為簡支梁支承形式，而導(dǎo)致橫梁的變形的關(guān)鍵因素為切屑力和自身重力，因此在橫梁結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析的過程中，不僅需要考慮橫梁自身重力產(chǎn)生的靜態(tài)變形，同時橫梁結(jié)構(gòu)上的滑塊、滑枕在運動的過程中也容易造成橫梁彎曲
變形。由于橫梁結(jié)構(gòu)受到多方面的載荷，因此在受力分析中通過運用有限元分析軟件可以得到橫梁結(jié)構(gòu)的總位移變形量以及各組件的變形量 其中分析結(jié)果如下表 1 所示。
通過對橫梁結(jié)構(gòu)的受力情況進(jìn)行分析得知，橫梁總位移變形量占 40.34%，而橫梁結(jié)構(gòu)的變形主要為彎曲變形和扭轉(zhuǎn)變形，橫梁結(jié)構(gòu)的變形不僅會導(dǎo)致主軸發(fā)生位移偏差，同時對龍門加工中心的加工質(zhì)量和加工精度也將會帶來極大的影響。同時通過采用有限元模型對橫梁模態(tài)分析的結(jié)果進(jìn)一步研究顯示，橫梁結(jié)構(gòu)主要模態(tài)頻率以及振動類型主要如下表 2 所示。
通過上述結(jié)果可以得知，橫梁 1——6 階的頻率中，1 階最低，說明此階段為橫梁結(jié)構(gòu)動態(tài)性能最差的一個環(huán)節(jié)，若要有效地提高橫梁組件的動態(tài)性能，必須對橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。
3 、橫梁結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計
3.1 橫梁結(jié)構(gòu)的改進(jìn)方案
通過上面的對于橫梁的靜動態(tài)分析可知，橫梁為最薄弱的環(huán)節(jié)，需要加強以適應(yīng)整機的高速運轉(zhuǎn)，橫梁一階振動頻率比較低，振動主要為局部的加強筋振動，說明加強筋比較薄弱，需要進(jìn)一步的加強。為了保證龍門加工中心橫梁的特點、操作的簡單化以及改進(jìn)成本的最小化和改進(jìn)效果的最大化，我們在對橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)中，僅僅對橫梁結(jié)構(gòu)內(nèi)
部的筋板布置情況以及受力情況進(jìn)行設(shè)計，通過將橫梁內(nèi)部筋板有原來十字型改為 V 字型結(jié)果，而對于橫梁結(jié)構(gòu)的外部結(jié)構(gòu)尺寸未作相應(yīng)的調(diào)整。具體的改進(jìn)方案為：保持板筋的厚度 20 mm 不變，將原來的十字形板筋結(jié)構(gòu)改為 V 形結(jié)構(gòu)，改進(jìn)后的質(zhì)量由solid works 分析得到結(jié)果比原來的質(zhì)量少了 20 kg，改進(jìn)后的質(zhì)量為 4730 kg. 其中改進(jìn)前后的橫梁結(jié)構(gòu)如下圖 3 和圖 4 所示。
圖 3 改進(jìn)前橫梁筋板布置圖
圖 4 改進(jìn)后橫梁筋板布置圖
3.2 改進(jìn)前后的靜動態(tài)性能的對比
對于改進(jìn)后的橫梁組件利用有限元分析軟件進(jìn)行靜動態(tài)分析。結(jié)果顯示：改進(jìn)后橫梁結(jié)構(gòu) 1 階頻率從原來的 48.1 Hz 提高到了 58.2 Hz，相比改進(jìn)前提高了大約有 17.4%，而最大變形量也比改進(jìn)前減少了大約 7.5%.由以上的結(jié)果可知，改進(jìn)后橫梁組件的頻率得到了很大的提高，利用有限元分析軟件分析的結(jié)果改進(jìn)后的橫梁組件達(dá)到了預(yù)期的效果。
4 、結(jié)束語
本文利用有限元分析軟件對橫梁結(jié)構(gòu)的靜動態(tài)分析，從而找到了橫梁組件中的最薄弱的部分——橫梁。橫梁在整個橫梁組件中的變形量最大，且一階頻率較低，針對橫梁現(xiàn)有的這兩個問題，本文提出了改進(jìn)方案，即把橫梁內(nèi)部板筋的結(jié)構(gòu)從十字形改為V 形，保持原來的尺寸不變。改進(jìn)后的橫梁組件各項測試指標(biāo)相比之前都更加的合理，更加的理想化，能夠滿足龍門加工的高速、高精度的要求。本文中橫梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化方案是根據(jù)實際的理論分析得到的，利用軟件工具得到了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，為橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù)。對于一些與橫梁類似的部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化具有借鑒意義，由于該方案的操作便捷具有可實施性，在龍門加工中心機床的優(yōu)化中有實際的應(yīng)用意義。
來源：中傳重型機床有限公司 作者：范有光
