数控改造机床床身有限元分析及结构优化设计

辽宁装备制造职业技术学院，辽宁 沈阳 110161

在机床的机械结构中，床身是重要的大型承载部件，起着支承机床其余零部件的作用[1]。它的静动态性能的优劣关乎机床整体的综合性能，尤其对机床的加工精度、抗振性能等影响较大[2]。在经济型数控机床改造中，为了降低改造成本，都会保留原有普通机床的床身，选择C6140数控改造机床的床身作为分析对象，并应用ANSYS Workbench软件对C6140床身进行固有频率、振型分析。另外，对床身整体结构进行重新改造设计，能保证数控改造机床的运动平稳性，优化切削加工性。

1 有限元建模关键技术

1.1 模型建立与网格划分

采用UG NX8.0软件对C6140床身创建三维模型。对C6140车床床身进行必要的结构简化，简化后的床身模型如图1所示。

图1 机床床身简化模型

运用UG NX8.0软件进行机床床身几何建模后，导入ANSYS Workbench中进行网格划分。采用网格尺寸控制方法，设置零件网格尺寸为30mm，划分后网格共有128284个节点、69677个单元。C6140床身划分网格后的有限元模型如图2所示。

图2 划分网格后的床身模型（单位：mm）

1.2 载荷与边界条件

C6140车床床身材料选用HT200，材料属性如下：杨氏模量为200GPa，泊松比为0.3，密度为7850kg/m3。对C6140车床床腿的2个底表面施加固定约束，以限制其自由度。

2 床身模态特征

依据建立的床身模型，应用ANSYS Workbench软件里的Block Lanczos方法做模态分析，得到床身的前六阶固有频率及振型，如图3所示。

图3 床身前六阶振型

有限元模态分析所得的前六阶固有频率如表1所示。系统的第一阶振型为床身在Z方向的摆动，第二阶与第三阶振型为床身在Z方向的扭转，第四阶振型表现为床身在Y方向的摆动，第五阶振型为床身在X方向的摆动，第六阶振型为床身导轨沿着X方向的弯曲。……