铸铁与铸钢底座静动态特性分析

于艳东

(山东鲁南机床有限公司，山东滕州277500)

底座主要用于支撑立柱、工作台、主轴箱等基础零部件，是加工中心最重要的基础部件之一，它的动静刚度是影响机床加工精度、整体刚性、抗振性能的重要因素。采用常规的设计方法，很难得出一个准确的衡量数值，也无法知道底座各部位的受力和变形情况。出于加工、成本、减震性和稳定性等方面的考虑，加工中心底座材料通常选用铸铁。铸铁材料虽然具有许多优越性，但在动态性能和热变形方面很难满足对机械产品越来越高的要求[1］。近几年，随着新型材料(如混凝土、人造花岗岩等)的出现和加工工艺的提高，机床材料就有了更多的选择。

随着计算机技术的发展和有限元理论的成熟，商品化的有限元分析软件在工程应用中获得巨大成功[2］。本文采用工程上比较成熟的分析软件Workbench对两种材料的加工中心底座进行静动刚度有限元分析。通过分析两者之间的静动态特性，可以看出铸钢材料的静力学性能、质量刚度和抗震性能总体上比铸铁材料要好。

1 加工中心底座有限元模型

1.1 底座的三维模型

正确的建立有限元模型是进行有限元分析的前提，因为Workbench与SolidWorks可以无缝衔接，所以选择SolidWorks软件建立三维模型，并把SolidWorks三维模型导入到有限元分析软件Workbench中。

本文利用Workbench软件对铸铁和铸钢两种材质的加工中心底座进行有限元分析，并对不同壁厚的情况做进一步分析。

1.2 材料属性和边界条件

铸铁底座材料HT250，弹性模量1.38×105 MPa，泊松比为0.156，密度为7.28×103kg/m3；铸钢底座材料ZG25，弹性模量为2.11×105MPa，泊松比为0.311，密度为 7.83×103kg/m3。

由于加工中心底座安装时采用10个地脚螺栓与地面连接，为了模拟实际受载情况，因此在进行边界处理时将底座与螺栓连接面进行全约束。

1.3 有限元网格划分

加工中心底座内部结构较为复杂，因此采用工程上比较成熟的分析软件ANSYS Workbench进行自动网格划分，划分方法为HexDominant，并运用四面体和六面体相互结合的划分方式。ZG25-25底座和HT250-25底座自动网格划分后，得到节点119 062，单元64 896个，HT250-10底座自动网格划分后，得到节点120 182，单元65 209个。划分后的网格图，如图1和图2(ZG25-25表示底座材料ZG25壁厚25 mm，其余编号规则与之相同)。

2 机床底座的静态分析

在机床切削工件的过程中，主轴位置的刀具部位受到工件的反向作用力。静态分析时，为模拟机床底座实际承受载荷情况，对机床刀具部位施加3个方向的作用力，分别为FX＝5 140 N，FY＝2 056 N，FZ＝2 570 N，通过ANSYS Workbench软件进行静力学分析得出三种底座的总体变形图，如图3～5。

对比HT250-10和HT250-25，两种不同壁厚的底座总体变形图(如图3～4)，可以看出如下特点:机床底座总位移变化在底座中心两侧呈对称状态分布，且变形状态分布不均匀。滚珠丝杠前端安装电动机的底座左侧两凸台安装面变形量最大，其次变形量较大是滚珠丝杠另一端的底座右侧两凸台安装面。底座前后两侧变形较小，而底座左右两端变形最小。HT250-25底座在负载下的静力学最大变形为3.47 μm，而HT250-10底座在负载下的静力学最大变形则为7.9 μm，可以看出HT250-25底座的静力学性能更好。

对比HT250-25和ZG25-25，两种不同材料的底座总体变形图(如图4～5)可以看出以下特点:三种底座的总体变形趋势和分布特点相同。HT250-25底座在此处负载下的静力学最大变形为3.47 μm，而ZG25-25底座在此处负载下的静力学最大变形为2.4 μm，可以看出ZG25-25底座的静力学性能更好。

3 底座的模态分析

机床底座模态分析主要分析底座的固有频率和振型，其作用为:避免底座受载后发生共振现象，同时也是进行其他动力学(响应谱)分析的起点[3］。

因为前两阶固有频率对机床底座动态特性会有较大影响，所以只列出三种底座前两阶模态振型图，如图6～11。通过ANSYS Workbench软件分析得出三种底座的各阶振型图，为便于分析把底座的前5阶振型列表，如表1～3。

通过分析可以看出，HT250-25底座一阶振型特点是底座前后摆动，二阶振型特点是底座左右摆动，三阶振型特点是底座中间上下摆动，四阶振型特点是底座右肩上下摆动，五阶振型特点是底座绕对称中心扭摆。HT250-10底座一阶振型特点是底座右肩上下摆动，二阶振型特点是底座绕Z轴扭摆，三阶振型特点是底座左右摆动，四阶振型特点是底座中间部分上下摆动，五阶振型特点是底座前后摆动、底座绕Z轴扭摆。ZG25-25一阶振型特点是底座前后摆动，二阶振型特点是底座左右摆动，三阶振型特点是底座中间上下摆动，四阶振型特点是底座绕对称中心扭摆，五阶振型特点是底座右肩上下摆动。

HT250-25底座的起振频率为421.35 Hz，与HT250-10底座的起振频率390.68 Hz相比要高。在动态特性上，HT250-25底座的各阶振型频率比HT250-10底座高，此外HT250-25的质量大，可以得出HT250-25底座的质量刚度也远比HT250-10底座好，抗震性能总体上HT250-25底座也远高于HT250-10底座。

ZG25底座的起振频率为479.58 Hz，与HT250-25底座的起振频率421.35 Hz相比要高。在动态特性上，ZG25底座的各阶振型频率比HT250底座高，但是HT250底座的密度小，可以得出ZG25底座的质量刚度也远比HT250底座好，抗震性能总体上ZG25底座也远高于HT250底座。

表1 HT250-10底座模态分析结果

表2 HT250-25底座模态分析结果

表3 ZG25-25底座模态分析结果

4 结语

通过ANSYS Workbench软件对不同材料的加工中心底座HT250-25和ZG25-25进行有限元分析可以得出如下结果:在静态特性上可以看出，负载相同的情况下，ZG25-25底座的总体最大变形要小于HT250-25的总体最大变形，ZG25-25底座的静力学性能更好。在动态特性上，可以看出ZG25-25底座的质量刚度也远比HT250-25底座好，抗震性能总体上ZG25-25底座也远高于HT250-25底座。

通过对不同壁厚的加工中心底座HT250-10和HT250-25进行有限元分析可以得出如下结果:在静态特性上可以看出，相同负载的情况下，HT250-25底座的总体最大变形要小于HT250-10的总体最大变形，HT250-25底座的静力学性能更好。在动态特性上，可以看出 HT250-25底座的质量刚度也远比HT250-10底座好，抗震性能总体上HT250-25底座也远高于HT250-10底座。

可以得出结论，铸钢材料ZG25的静动态刚度比铸铁材料HT250好，而且壁厚越大，这些性能也就越好。这些研究为机床基础件材料的选择和壁厚的设计，提供了一种理论依据。