動(dòng)梁龍門加工中心橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化
2018-10-23 來源： 南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 作者：郭琳娜，鄭天池，鞠家全，孫小剛，邱自學(xué)
摘要: 橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的品質(zhì)在很大程度上決定了動(dòng)梁龍門加工中心的剛度和強(qiáng)度性能; 橫梁結(jié)構(gòu)中加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)與布局直接影響橫梁的靜 /動(dòng)態(tài)特性。基于有限元法對動(dòng)梁龍門加工中心的橫梁進(jìn)行靜 /動(dòng)態(tài)分析，獲得了橫梁在極端工況下的變形情況以及橫梁結(jié)構(gòu)的前六階固有頻率與振型。結(jié)果表明，十字形加強(qiáng)筋難以滿足實(shí)際工作要求，因此將加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)改成米字形，使橫梁的變形量減少了 20． 265% ，一階模態(tài)頻率提高了 4． 405% ，表明該優(yōu)化設(shè)計(jì)方法合理可行，為橫梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞: 龍門加工中心; 橫梁; 靜/動(dòng)態(tài); 加強(qiáng)筋
0 引言
隨著工程機(jī)械、軌道交通以及航空航天等行業(yè)的迅速發(fā)展，各類大、重型復(fù)雜零件被廣泛地應(yīng)用于機(jī)械裝備中，對零件的加工精度提出了更高的要求，同時(shí)也增加了加工難度。龍門加工中心作為加工機(jī)械產(chǎn)品的主力機(jī)床，不僅加工效率高，而且具有良好的性價(jià)比和較高的自動(dòng)化程度，在高端機(jī)械制造業(yè)中發(fā)揮著重要作用。
作為動(dòng)梁龍門加工中心的主要支撐部件，橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理與否將直接影響到機(jī)床的制造成本和整體性能。
通過改進(jìn)橫梁的結(jié)構(gòu)來提高動(dòng)梁龍門加工中心的整體性能成為了眾多學(xué)者研究的重點(diǎn)。提出了一種新型橫梁設(shè)計(jì)構(gòu)想———拱型預(yù)緊結(jié)構(gòu)橫梁;文獻(xiàn)］以橫梁的總體積為目標(biāo)函數(shù)對橫梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化; 對不同截面形狀的橫梁在特定方向的剛度大小進(jìn)行了分析對比。
以上研究均為橫梁的結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供了設(shè)計(jì)思路與研究方向，對橫梁加強(qiáng)筋位置和樣式的優(yōu)化更是成為了研究的熱點(diǎn)。
本文通過對橫梁加強(qiáng)筋樣式的改進(jìn)來優(yōu)化橫梁的靜 /動(dòng)態(tài)特性，對橫梁的結(jié)構(gòu)改進(jìn)具有良好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
1 、動(dòng)梁龍門加工中心的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1． 1 動(dòng)梁龍門加工中心的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
根據(jù)目前龍門加工中心的研究現(xiàn)狀和現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)制造的需求，對動(dòng)梁龍門加工中心的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。所設(shè)計(jì)的加工中心為橫梁上下移動(dòng)式框架結(jié)構(gòu)，采用雙立柱固定支撐的形式，其運(yùn)動(dòng)形式包括 4 個(gè)進(jìn)給軸和 1 個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，4 個(gè)進(jìn)給軸包括工作臺沿床身前后移動(dòng)的 X 軸、滑座沿橫梁左右移動(dòng)的Y 軸、滑枕沿滑座上下移動(dòng)的 Z 軸和橫梁沿雙立柱下移動(dòng)的 W 軸，旋轉(zhuǎn)軸指主軸。
1． 2 加工功能分析
動(dòng)梁龍門加工中心具備高速、高精密的切削加工特征，不僅能夠加工普通中小型金屬件、3C 產(chǎn)業(yè)零件、精密零件及模具等批量零件的外形、型腔，還能借助自動(dòng)程序編制技術(shù)加工各種大、重型復(fù)雜零件，實(shí)現(xiàn)切削槽、鉆孔和攻絲等工序的加工，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于航空航天等重要領(lǐng)域。
1． 3 動(dòng)梁龍門加工中心的主體結(jié)構(gòu)
動(dòng)梁龍門加工中心主要由床身、工作臺、雙立柱、固定梁、橫梁、滑座和滑枕等部件組成。動(dòng)梁龍門加工中心的整體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。
圖 1 動(dòng)梁龍門加工中心整體結(jié)構(gòu)
由圖 1 可知，動(dòng)梁龍門加工中心的橫梁結(jié)構(gòu)由雙立柱支撐，同時(shí)承載著滑座、滑枕等部件，滑座沿橫梁導(dǎo)軌左右運(yùn)動(dòng)，滑枕在滑座上做上下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)滑座處于橫梁的中間位置，滑枕運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)時(shí)，橫梁會產(chǎn)生最大的彎曲變形。本文設(shè)計(jì)的橫梁結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn)。
1) 橫梁的上下移動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)細(xì)長型零件和復(fù)雜結(jié)合面的加工，間接擴(kuò)大了切削范圍。
2) 橫梁與雙立柱的接觸導(dǎo)軌面處做了貼塑處理，極大減小了摩擦阻力，且減振性能良好，能有效防止低速爬行現(xiàn)象的發(fā)生，使運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)進(jìn)行.
3) 橫梁兩側(cè)均設(shè)有剎鐵和壓板來調(diào)整橫梁與立柱的接觸面，保證導(dǎo)軌處的可靠接觸，提高橫梁精度。
2 、橫梁的靜 / 動(dòng)態(tài)分析
2． 1 網(wǎng)格劃分
橫梁為鑄造件，材料為 HT250，材料屬性設(shè)置為:彈性模量取 1． 3 × 105MPa，泊 松比取 0． 27，密度取7 200kg / m3。網(wǎng)格劃分的情況直接影響有限元分析的速度和精度，綜合各影響因素，采用 solid45 單元結(jié)構(gòu)，單元大小設(shè)置為 100mm。將橫梁結(jié)構(gòu)導(dǎo)入有限元分析軟件 ANSYS Workbench 中，運(yùn)用自由網(wǎng)格劃分的方式得到橫梁組件的有限元模型，橫梁的網(wǎng)格劃分圖如圖 2 所示。
圖 2 橫梁的網(wǎng)格劃分圖
2． 2 約束與載荷
忽略與橫梁接觸的各部件間的接觸面變形，將各結(jié)合面近似看作剛性接觸。橫梁下端兩側(cè)通過滾珠絲杠螺母支撐，后側(cè)由液壓夾緊機(jī)構(gòu)夾緊固定，約束時(shí)向橫梁對應(yīng)的貼合面施加固定約束。由力學(xué)分析可知，當(dāng)滑座部分移動(dòng)到橫梁的中間位置時(shí)，橫梁所承受的負(fù)荷最大，因此，將滑枕、滑座以及主軸部分的重量作為載荷全部施加到橫梁相應(yīng)的導(dǎo)軌面上。
2． 3 靜力學(xué)分析
靜態(tài)剛度是一個(gè)判斷結(jié)構(gòu)優(yōu)劣性的基本指標(biāo)，結(jié)構(gòu)的最大變形量可在極限載荷的情況下得到。動(dòng)梁龍門加工中心橫梁的受力結(jié)構(gòu)為兩點(diǎn)簡支梁支撐形式，重力和加工時(shí)的切削力是造成橫梁變形的主要原因。此外，當(dāng)橫梁上的滑座部分沿導(dǎo)軌移動(dòng)時(shí)，也會引起橫梁不同程度的彎曲變形; 同時(shí)滑座部分的重力偏置還會引起橫梁的扭轉(zhuǎn)變形。
對于大型和重型機(jī)床，移動(dòng)件的重量大，切削力也很大，因此進(jìn)行受力分析時(shí)，必須同時(shí)考慮移動(dòng)件重力和切削力等載荷的共同作用。假定橫梁處于最危險(xiǎn)狀態(tài)，即滑座部分位于橫梁中部時(shí)，通過有限元分析得到的橫梁位移變形云圖如圖 3 所示。
圖 3 橫梁位移變形云圖
由圖 3 可知，橫梁最大位移變形量為41． 021μm。由于橫梁變形主要為彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，這將導(dǎo)致滑枕與主軸偏移正確的位置，對加工精度產(chǎn)生較大影響。
2． 4 模態(tài)分析
動(dòng)梁龍門加工中心在工作過程中，除了受到靜載荷的作用，還受到包括斷續(xù)切削、材料硬度或加工余量的變化以及回轉(zhuǎn)零件不平衡等引起的動(dòng)態(tài)力的共同作用，因此會對加工中心產(chǎn)生擾動(dòng)。
當(dāng)振幅超過允許值時(shí)，會使刀具磨損嚴(yán)重，加工表面質(zhì)量下降，影響加工精度，降低生產(chǎn)效率，甚至導(dǎo)致加工中心不能正常工作。加工中心的振動(dòng)可以分為自激振動(dòng)和受迫振動(dòng)，找出其動(dòng)態(tài)剛度低的薄弱環(huán)節(jié)，能夠提高抵抗受迫振動(dòng)的能力，為加工中心的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
考慮到動(dòng)梁龍門加工中心的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性將影響到其加工精度和穩(wěn)定性等技術(shù)指標(biāo)，同時(shí)，加工中心的前幾階模態(tài)特性及其切削系統(tǒng)的工作頻率對切削性能也具有重要的影響
，運(yùn)用有限元分析軟件對橫梁進(jìn)行模態(tài)分析，取前六階模態(tài)頻率進(jìn)行研究。橫梁的一階模態(tài)振型云圖如圖 4 所示，橫梁的前六階模態(tài)頻率如表 1 所示。
圖 4 橫梁的一階模態(tài)振型云圖
表 1 前六階模態(tài)頻率 Hz
由圖 4 和表 1 可知，橫梁的振動(dòng)頻率較小，一階振動(dòng)頻率為 83． 747Hz，當(dāng)外界激振頻率與一階振動(dòng)頻率相近時(shí)，系統(tǒng)易發(fā)生共振現(xiàn)象，造成橫梁的損壞斷裂，不利于實(shí)際的生產(chǎn)加工，因此對橫梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。
3 、橫梁的結(jié)構(gòu)改進(jìn)
由橫梁的靜/動(dòng)態(tài)分析結(jié)果可知，加強(qiáng)筋對橫梁本身的性能影響較大，根據(jù)對角筋板理論得出目前采用的十字形筋板難以滿足實(shí)際加工要求; 因此，應(yīng)對加強(qiáng)筋的樣式進(jìn)行改進(jìn)，以提高橫梁的靜/動(dòng)態(tài)特性，進(jìn)而改善龍門加工中心的整體性能。
通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)尺寸和筋板布置可以提高結(jié)構(gòu)的靜/動(dòng)態(tài)特性。為了使改進(jìn)后的橫梁便于裝配，不改變結(jié)構(gòu)尺寸，只改變內(nèi)部筋板布置，根據(jù)對角筋板抗扭理論，將橫梁內(nèi)部筋板結(jié)構(gòu)改為米字形。改進(jìn)方案為: 筋板厚度不變，將原來橫向與縱向垂直交叉的十字形結(jié)構(gòu)更改為斜筋構(gòu)成的米字形結(jié)構(gòu)。改進(jìn)前的橫梁加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)如圖 5 所示，改進(jìn)后的橫梁加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)如圖 6 所示。
圖 5 改進(jìn)前的橫梁加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)
圖 6 改進(jìn)后的橫梁加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)
4 、改進(jìn)前后分析
對改進(jìn)后的橫梁進(jìn)行靜/動(dòng)態(tài)特性分析，得到橫梁的總變形量云圖，如圖 7 所示，同時(shí)得到橫梁一階模態(tài)振型云圖，如圖 8 所示。
圖 7 改進(jìn)后橫梁的總變形量云圖
圖 8 改進(jìn)后一階模態(tài)振型云圖
改進(jìn)后的橫梁最大變形量為 32． 708μm，較改進(jìn)前的最大變形量減少了 20． 265% ; 一階模態(tài)頻率為87． 436Hz，較改進(jìn)前提高了 4． 405% 。改進(jìn)后的橫梁靜/動(dòng)態(tài)特性取得了較理想的效果。改進(jìn)前后橫梁的靜/動(dòng)態(tài)特性對比結(jié)果如表 2 所示。
表 2 改進(jìn)前后橫梁靜/動(dòng)態(tài)特性對比結(jié)果
由表 2 可知，改進(jìn)后的橫梁位移變形量顯著降低，一階模態(tài)頻率提高，總體性能優(yōu)越。
5 、 結(jié)語
1) 通過對極端工況下的橫梁進(jìn)行靜 / 動(dòng)態(tài)特性分析，發(fā)現(xiàn)加強(qiáng)筋的樣式對橫梁的影響較大，十字形結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)筋難以滿足 加 工 要 求，需 要 進(jìn) 行 結(jié) 構(gòu)改進(jìn)。
2) 根據(jù)對角筋板理論，將橫梁筋板改進(jìn)成米字形結(jié)構(gòu)，得到橫梁總變形量的最大值為 32． 708μm，比改進(jìn)前減少了 20． 265% ，改進(jìn)后滿足設(shè)計(jì)要求。
3) 通過對改進(jìn)后的橫梁進(jìn)行模態(tài)分析，獲得橫梁的前六階 固 有 頻 率 及 振 型，一 階 模 態(tài) 頻 率 提 高 了4． 405% 。
4) 綜合分析改進(jìn)前后橫梁的靜 / 動(dòng)態(tài)特性，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)后橫梁的整體性能顯著提高，表明該優(yōu)化設(shè)計(jì)方法合理可行，為橫梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。
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