HDB-63高速卧式加工中心立柱动静态特性有限元分析*

沈媛媛，李全普，段周波

(大连华根机械有限公司，辽宁 大连 116620)

0 引言

高速加工中心是现代数控机床中最具代表性和技术附加值的产品，作为关乎国民经济建设和国防工业发展的关键制造设备，其性能、品质和数量已成为衡量国家工业化水平和综合国力的重要标志［1］。为了使加工中心在保证刚性的前提下具有良好的的静动态特性，在设计中采用了国际流行的Box in Box结构型式(即箱中箱结构)。由于箱中箱结构刚性较好，所以作为其支撑部件的立柱便成为加工中心最薄弱的环节，因此有必要对立柱的动静态特性进行有限元。

本文以国家数控专项高速卧式加工中心HDBS-63立柱作为研究对象，建立了立柱基于组合体的有限元模型，并进行了静力分析和模态分析，找出了立柱的薄弱环节，为立柱动静态特性的提高提出了改进意见。

1 基于组合体的立柱有限元模型

由于立柱是高速加工中心的连接部件，如果只单独对立柱进行分析则无法为其施加载荷，因此建立主轴箱、滑架和立柱的组合体模型，如图1所示。根据加工中心的设计要求，立柱采用龙门式结构进行设计，这样的结构既减轻了立柱整体质量，又能够保证立柱在大负载情况下不产生较大的变形，而且满足加工中心的加工精度要求和高速运行下的动态特性。立柱的整体结构由精密铸造加工而成，其材料是灰口铸铁HT300。

图1 HDBS-63箱中箱结构三维实体图

2 立柱静力分析

2.1 分析前处理

对立柱组合体模型进行简化，去除非重要部位的倒角、圆角以及小尺寸的螺纹孔，并导入ANSYS Workbench环境。采用自动划分网格功能划分网格，对重要位置的网格进行细化［2］。分析铣削和钻削工况下，立柱的变形和应力。对于铣削工况，选取刀柄SANDVIKR245-250Q60-18H，刀片 R245-18T6M-KM，其他工况参数如表1所示。计算出的切削力如表2所示。立柱组合体的重量为1597.25Kg。

表1 铣削工况参数

表2 切削力

对于钻削工况，选取刀柄 SANDVIK R416.9-0600-25-01，刀片WCMX 050304R-WM 3040，其他工况参数如表3所示，计算出的钻削力扭矩为141Nm，轴向力4668N。

表3 钻削工况参数

2.2 静力分析

静力分析是用来计算立柱在固定载荷下的响应，即静载荷引起的应力和应变等，所以静力分析为立柱结构优化提供非常重要的参考［3-4］。

立柱通过螺栓连接固定在床身上，所以床身对立柱起支撑作用，采用固定约束方式约束立柱底部。为立柱组合体模型添加重力，并在驱动电机位置施加驱动力。然后在刀具位置施加铣削力，得到的变形及应力如图2。在刀具位置施加钻削力，得到的变形及应力如图3所示。

从图2可知，铣削工况下立柱最大变形为0.054mm，最大应力为5.4Mpa。从图3可知，钻削工况下立柱最大变形为0.021mm，最大应力为3.6Mpa。由于在铣削工况下，立柱的变形和应力均大于钻削工况下的数值，所以在其后的分析中只分析铣削工况。

由分析结果能够看出，应力最大值出现在尖角处，这是因为模型简化造成的尖角，导致应力集中，此应力最大值会随着铸造圆角的产生而大幅减弱。

3 立柱模态分析

模态分析的目的是识别出立柱的模态参数，为立柱结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据［5-8］。考虑到立柱在受力情况下，其振动频率在自身应力的作用下会产生较大变化，因此采用预应力模态分析以保证计算的准确性。且考虑到由于铣削状态下主轴的转速变化范围较大，分析立柱的前四阶模态。立柱模态分析中边界条件设置同静力分析相同，但模态分析不涉及到力和力矩问题，只在立柱底部施加固定约束，前四阶固有频率如表4所示，振型如图4所示。

表3 立柱前四阶固有频率

图4 立柱前四阶振型图

从图4可以看出，立柱的一阶模态为上部沿X方向振动，二阶模态为立柱上部沿Z方向振动，三阶模态为立柱上部绕Y方向扭动，四阶模态为立柱上部绕Z方向扭动。因此立柱两侧支撑位其薄弱环节，提高该部位的刚度可以大大提高立柱的动态性能。

4 结束语

由静力分析可知立柱的变形主要集中在上横梁的中部，应适当增加贯穿横梁筋的数量或在机床结构允许的条件下尽量增加上横梁的高度。由一阶振型分析可知立柱刚度最薄弱的位置为两侧的支撑，应适当增加贯穿上下立筋的数量或改变支撑截面的形状。

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