卧式加工中心床身结构的有限元分析

王 玮

（宝鸡文理学院 机械工程学院，宝鸡 721016）

0 引言

加工机床的高速化对机床的动态性能提出了越来越高的要求，近年来国内外对机床结构动态设计方面都开展了大量的研究。仇政、张松等人以加工中心进给系统动态及工作台为研究对象，建立了进给系统的有限元模型，利用ANSYS Workbench软件进行了分析，以提高工作台的固有频率为优化目标进行了工作台的尺寸优化[1]；巫修海等人在高速卧式加工中心动态设计时候，通过动态测试的方法获得导轨结合面的特性参数并将其应用到数字仿真模型中，提高了模型的精度。在加工中心的结构优化设计过程中，对主要部件的拓扑优化设计，提高了加工中心的静动态特性[2]；李小彭，赵志杰等人以机床床身为研究对象，建立床身的简化有限元模型，以固有频率作为衡量床身动态性能优劣的指标，重点研究床身固有频率的变化趋势以及主轴箱支撑台筋板布置方式对床身动态特性的影响，并对此提出有效的解决方案[3]。

床身是机床关键零部件之一，是整个机床的基础，主要起承重的作用[4,5]。本文在前期研究的基础上，以某大型卧式加工中心床身为研究对象，该床身由于采用传统的经验设计，缺乏相关动态特性分析的支撑，所以有必要对该卧式加工中心床身进行动态分析，找到其结构刚度的薄弱环节。本文首先建立了床身部件的三维模型，利用有限元软件ANSYS Workbench对床身结构进行静、动态分析，为床身结构的进一步优化指明了方向。

1 床身有限元模型的建立

卧式加工中心由床身、立柱、工作台及主轴箱等部件组成。其中，床身采用三点支撑结构，是整个机床的基础；立柱采用与床身导轨一高一低的设计方式，大幅降低重量，实现轻量化，并使得该立柱组件获得较高的动态响应性能；主轴箱组件标配6000rpm机械式主轴，通过两级齿轮传动实现大切削扭矩，同时选配8000～12000rpm的电主轴，可进行高速、精密铣削，适合模具等要求较高的零件加工。用三维建模软件SolidWorks对这些部件建立实体模型并装配得到整机模型如图1所示。

图1 卧式加工中心

该卧式加工中心床身采用QT-400-15精密铸造而成，自重8300kg；其结构如图2所示，内部主要采用方格筋布筋设计，筋板厚度20mm，主板壁厚25mm，X轴两根导轨跨距为800mm，Z轴两根导轨跨距为750mm。对原有的三维实体模型去除倒角、圆角、沟角，并去除尺寸较小的孔等加以合理简化，取弹性模量1.69×1011Pa，泊松比0.275，采用自由划分网格，划分

后节点总数为1207916，单元总数为308403网格生成如图3所示。

图2 床身结构示意图

图3 床身简化有限元模型

2 床身静力分析

根据课题研究的内容和机床的实际工况（立柱在X轴行程中间位置、工作台滑座在Z轴行程后端靠近极限位置、主轴箱置于Y轴下端靠近极限150mm的位置），忽略其它附件力的影响，该卧式加工中心主要承受自身重力、工作台最大承重、切削力等。其受力情况如表1所示。

图4 加工中心自重与负载情况

根据表1和床身对应的载荷分布，分别在床身的相应安装面上通过Remote Force命令施加立柱组件重力G2（立柱中置）、主轴组件重力G4、切削力FC、工作台和工作台滑座重力G5、工作台最大承重G6，交换台站重力G7。同时，通过Standard Earth Gravity命令或重力加速度对床身施加重力。床身实体模型最终加载情况如图5所示。

图5 床身载荷图

在Solution 选项下，插入Total Deformation，Equivalent Stress等命令，从弹出的快捷菜单中选择Equivalent All Results求解。床身的变形分布图如图6所示。

图6 床身综合变形图

从床身综合变形图得，床身的最大变形位于床身前侧两个床沿角（最大变形量0.0361mm），主要是受交换台站及零件重力、工作负载等影响；其余变形主要发生在床身后侧，X床身后侧导轨面位置等。在后续的结构优化设计中，应该对这些问题进行改善以期得到性能更好的结构。

表1 卧式加工中心部件自重和负载情况

3 床身模态分析

加工中心床身的动态性能反映其结构在承受动态载荷时的抗振能力，对机床的加工精度具有重要影响。高阶模态阻尼值较高，在振型分析中的作用相对较小, 所以一般模态分析主要集中在对振型影响相对较大的低阶模态上[6]。本文应用ANSYS Workbench对床身进行模态分析，给出了全约束状态下的前四阶模态分析结果，得到了床身固有频率及相应振型，如图7所示。

图7 床身模态振型图

表2 床身前四阶模态的固有频率和振型

从床身的前四阶振型图上可以得到以下结果： 床身前侧两外沿，床身中部的位置，还有床身外侧X导轨安装面处等位置为薄弱环节，这种薄弱环节可能会导致床身刚性不足，但是其中只有中部及X向导轨承靠面为关键点，其余对整机精度变化造成影响不大。

4 结论

1）对试制加工中心床身进行实体化建模并运用ANSYS Workbench有限元分析软件对床身进分析，得出了改床身结构的静、动态特性。

2）通过对前四阶频率的振型研究，分析了试制床身在不同频率振型下的变形，指出了其结构刚度的薄弱点，为该卧式加工中心床身的优化打下了基础并提供了一定的方向。

[1]仇政,张松,田昆,等.加工中心进给系统动态特性分析及工作台尺寸优化设计[J].制造技术与机床,2017(4):56-61.

[2]巫修海,马云芳,张建润.高速高精度卧式加工中心动态优化设计[J].振动与冲击,2009,28(10):74-77.

[3]李小彭,赵志杰,聂慧凡,等.某型数控车床床身的模态分析与结构优化[J].东北大学学报（自然科学版）,2011,32(7):988-991.

[4]Yang J P,Chen S X.Vibration predictions and verifications of disk drive spindle system with ball bearings[J].Computers and Structures,2002,80(16/17):1409-1418.

[5]何成浩,尹志宏.基于有限元分析的机床床身结构优化设计[J].科学技术与工程,2012,12(23):5743-5747.

[6]吴晓枫,王禹林,冯虎田.大型数控螺纹磨床床身的模态分析与优化[J].机械设计与研究,2010,26(6):114-117.