龍門加工中心的加工精度和效率的提高

在龍門加工中心機械結構中，橫梁是一個極其重要的組成部分。它起著連接滑座、拖板等關鍵零部件的作用。因為橫梁自身的設計尺寸和布局形式?jīng)Q定了它的靜、動態(tài)特性，而橫梁結構的靜、動態(tài)特性又與加工中心的整機性能有著密切關系，所以如何提高橫梁的靜、動態(tài)特性對于保證整機的加工精度和效率具有重要的意義。
1、原型整機有限元分析
1）原型整機三維模型與有限元模型本文采用Pro/ENGINEER軟件建立原型五坐標龍門加工中心整機CAD模型。
在建立有限元模型時，CAD模型需要作一些處理?？紤]實際加工過程中機床工況最惡劣加工位置，把橫梁置于左右滑座的懸空部位，拖板與箱體安置于橫梁正中?？紤]運算效率和計算精度，僅保留4個立柱和2個滑座，以簡化模型。用質量單元和梁單元模擬電主軸架系統(tǒng)對整機動、靜態(tài)性能的影響，采用8節(jié)點單元Solid185對各零部件進行網(wǎng)格劃分，同時在建模時對某些重要區(qū)域的網(wǎng)格進行局部細化，以提高網(wǎng)格劃分質量。然后利用有限元分析軟件ANSYS提供的接口，將處理過的CAD模型導入ANSYS中。原型五坐標龍門加工中心整機有限元模型。
2）原型整機有限元模型的動態(tài)分析
①模態(tài)分析。原型5坐標龍門加工中心設計的最高工作轉速為10000r/min，由于作用在機床上的激勵力頻率一般都不高，因而只有最低幾階模態(tài)的固有頻率才有可能與激振頻率重合或接近。高階模態(tài)的固有頻率已遠高于可能出現(xiàn)的激振力頻率，一般不可能發(fā)生共振，對于加工質量的影響不大。所以只需研究機床的低階模態(tài)。對原型整機的有限元模型進行模態(tài)分析，最能明顯表現(xiàn)出機床動態(tài)特性的是第1、3、5階振型，這三階固有頻率與振型如圖3所示。模態(tài)分析結果。
②諧響應分析。模態(tài)分析可得到整機各階振型和固有頻率，但這僅表示機床各部位的相對振動情況，而外力激勵下各階振型對整機振動作用大小是不同的，因此對整機進行諧響應分析就能更清楚地看出在動態(tài)干擾激勵下機床結構的抗振性能。在原整機有限元模型安裝刀具部位加X、Y、Z分力幅值均為1000N的簡諧力。根據(jù)模態(tài)分析得到機床動態(tài)特性，以及實際工況下激勵力頻率，設置簡諧力頻率在40～140Hz范圍，用該簡諧力對整機激振。如圖4所示為該頻段簡諧力激勵下機床刀具的振動響應。
從原型整機諧響應分析結果可以看出，在動態(tài)切削力激勵下第1、3、5階模態(tài)容易被激發(fā)。結合模態(tài)分析可以認為，第1階振型主要是由于滑座和立柱Y向剛度相對較弱產(chǎn)生的變形;第3階振型主要是橫梁的扭曲變形;第5階振型主要是橫梁的扭曲變形和箱體的彎曲變形。因此，橫梁結構是龍門加工中心結構設計中的一個薄弱環(huán)節(jié)。對橫梁進行結構改進，適當提高橫梁抗扭剛度、減小動態(tài)切削力影響下的機床變形是進一步提高整機動、靜態(tài)性能的關鍵所在。
2、原橫梁結構的動力學模型及分析
原橫梁結構為鑄造件，長5060mm，寬1700mm，高1335mm，自重為11.9t，圖5為原橫梁結構簡化的CAD模型。橫梁外壁板厚25mm，內部筋板厚20mm，橫向有12個均布筋板，縱向筋板采用米字形結構，另外還有多條加強小筋板，如圖6和圖7所示。用實體單元Solid185對橫梁實體模型進行網(wǎng)格劃分，單元尺寸定為180mm，得到原橫梁結構的有限元模型，如圖8所示。
為了解原橫梁結構的動態(tài)特性，對其有限元模型進行自由模態(tài)分析，得到原橫梁結構的前15階固有頻率和振型。根據(jù)模態(tài)分析得到的橫梁第1階和第2階固有頻率分別為115.49Hz和135.27Hz，振型分別是XOY平面的彎曲變形和橫梁的扭曲變形，其主振型如圖9所示。由于拖板和箱體等在橫梁上的懸掛安裝，使整機重心偏離幾何中心較大，機床處于非穩(wěn)定狀態(tài)，因此機床的整機性能對橫梁的扭曲變形較為敏感。針對上述分析，在考慮橫梁外形尺寸不變和自重基本不變的基礎上，對橫梁內部筋板結構和布局做相應修改，以提高橫梁的動態(tài)特性，特別是其動態(tài)抗扭剛度值。
3、橫梁模型結構優(yōu)化設計
1)橫梁模型結構優(yōu)化
根據(jù)材料力學理論可知，純扭轉變形產(chǎn)生的剪應力是成對出現(xiàn)的，最大剪應力出現(xiàn)在與主平面成45°和135°的平面上，因此結構設計時把筋板布置在與主平面成45°和135°的平面上，用來承受扭轉載荷的作用，可以提高結構的抗扭剛度。如圖10所示，作用在對角筋板上的橫向和縱向剪應力，分別在筋板方向和垂直筋板方向分解，垂直筋板方向的兩個力分量大小相等，方向相反，互相作用，限制筋板扭轉變形。而沿筋板方向力的分量如圖11所示，表現(xiàn)為沿筋板方向的拉壓。
由前面對原結構的模態(tài)分析結果可知，橫梁抗扭剛度的提高對機床整機性能的改善十分重要，根據(jù)上面提到的對角筋板抗扭理論，將橫梁內部的縱向筋板改為雙X型，為了充分發(fā)揮縱向筋板的抗扭性能，筋板布置角度應盡量與水平面成45°和135°方向。再考慮到橫梁的第一階振型為前后方向的彎曲，為加強該方向剛度的彎曲剛度，在橫梁中間位置布置一根水平筋板，修改后橫梁縱向筋板的形式如圖12所示。
再根據(jù)上面提出的筋板布置理論，在橫梁內部設計了一對斜支撐形式的筋板。最后得到的橫梁筋板形式如圖13所示。橫梁外形尺寸與原結構相同，橫梁外壁板厚度保持25mm，筋板厚度由原來的20mm調整為15mm，橫向筋板布置保持原來形式。
2)性能對比分析
①原橫梁與修改后橫梁模態(tài)分析比較。
考慮到機床的實際工作頻帶，可以認為橫梁的前2階模態(tài)特性對整機結構的動態(tài)性能有著重要作用。表2為原橫梁結構與改進后的橫梁結構分析結果比較。改進后橫梁第1階和第2階固有頻率較原橫梁結構均有一定提高。根據(jù)(式中為第n階固有頻率，分別為對應的模態(tài)剛度和模態(tài)質量)可知，改進后的橫梁對應的模態(tài)抗扭剛度有了顯著提高，并且原橫梁結構中對整機動態(tài)性能有重要影響的第2階扭曲振型，在改進后的結構中變?yōu)榈?階振型，該階振型的固有頻率值提高了13.9%，因此改進后的結構達到了提高橫梁動態(tài)性能的優(yōu)化設計目標。
②原整機模型與新橫梁整機模型靜態(tài)分析比較。
把改進后的橫梁與其他原機床零部件進行重新裝配，得到新橫梁整機結構模型，對該模型進行靜力分析和動力分析。表3為原整機模型與新橫梁整機模型靜態(tài)分析比較。從分析結果可以看出橫梁在自重減輕了4.2%的情況下，通過內部筋板的合理布置，整機的靜態(tài)性能不僅沒有減弱，反而在3個方向均有一定的提高，特別是Z向靜剛度值提高了7.4%左右。
③原整機模型和新橫梁整機諧響應分析比較。
進行諧響應分析，把分析結果和原整機模型的諧響應分析結果進行比較，得到圖14?？梢钥闯鰴M梁經(jīng)過優(yōu)化后得到的新橫梁整機結構在40～140Hz的諧振力作用下，振幅比原整機模型有所下降。但是在共振點振幅下降不明顯，這是因為結構在共振點處的振幅主要是由結構的阻尼決定，而不是由動剛度決定。諧響應分析也可以看出新結構比原整機模型的各個共振點頻率均有所提高，這也證明了模態(tài)分析結果的正確性。從上面動、靜力學分析結果可以看出，橫梁新結構使整機動態(tài)性能有一定的提高。并且這里提出的斜支撐筋板結構已經(jīng)在其他機床的橫梁中得到應用，使用后效果明顯。