高速铣床

高速铣床（共4篇）

高速铣床 篇1

高速切削技术最早是由德国的切削物理学家萨洛蒙在1931年4月提出的。他认为:“在常规切削速度范围内,切削温度会随着切削速度的提高而升高,一定的工件材料对应有一个临界切削速度,此时的切削温度最高,但当切削速度超过临界值后,切削温度不但不升反而下降”。对于每一种工件材料,都存在一个速度范围,在该范围内,由于切削温度太高,刀具材料无法承受,切削加工不能进行,这个范围称之为“死谷”。如果切削速度能越过“死谷”,在高速区工作,则有可能用现有的刀具进行高速切削,切削温度与常规切削基本相同,从而大大减少切削工时,大幅度提高机床生产效率[1,2]。

随着高速切削技术的不断发展,高速切削以其切削力小、工件加工热变形小、材料切除率高、工艺系统振动小、可完成高硬度材料的加工等优点越来越广泛地应用于航空航天、汽车零部件、模具加工等领域。高速数控铣床成为世界各工业发达国家主要发展的项目之一[3]。

笔者在借鉴国内外大量高速数控机床资料的基础上,按照模块化设计原则,对影响高速数控铣床性能的主要部件立柱、横梁及床身进行分析设计,确定零部件结构。根据设计要求建立三维实体模型,以此尝试总结出高速数控铣床的结构设计流程与方法。

1 数控铣床总体结构设计

数控机床的结构设计主要有:刚度要求、抗振性要求、热变形要求、内应力要求等。笔者所设计的高速数控铣床结构采用了立式定梁龙门结构。此结构适于铣削、雕铣加工,不仅可以加工制造各种型腔模具,还可加工钢、铜、铝等金属和非金属材料。

1.1 设计工作台尺寸

根据机床加工对象及工艺要求设计机床工作台尺寸为300 mm×600 mm;行程为(X/Y/Z)300 mm×600 mm×360 mm。

1.2 设计运动参数

根据机床加工对象及工艺要求,采用公式n=1 000 v/πd进行计算,其中n是机床主轴转速,v是切削速度,d是刀具的直径,最后得出转速100～15 000 r/min。

根据机床加工对象及工艺要求,高速数控铣床使用多刃刀具,进给量以每分钟位移量表示,选取切削进给速度为10 m/min,快速移动速度为20 m/min。

2 数控铣床主要零部件设计

2.1 机床床身设计

在整个机床的各个组成部分中,机床的床身是一个重要的基础支撑部件,其主要作用是支撑零件和连接工作台,一般用来放置主轴箱和导轨等重要部件。为了满足高速数控铣床的高速度、高精度、高效率、高可靠性、高自动化程度等要求,在机床设计中需要对床身的刚度、抗震性以及热稳定性等相关机械性能做深入的了解与探讨,以满足最终机床的设计要求。

考虑到高速数控机床对床身高强度、高刚度、好的动态性能和热态性能的要求,传统铸铁材料已不能满足机床结构的设计要求,因此考虑采用人造花岗岩。人造花岗岩是一种新型的床身材料,它具有铸铁所不具备的阻尼性能强、热容量大、热变形小等优点,同时还具备抗腐蚀性强、尺寸稳定性好等特点。由于高速机床在高速切削时会产生大量的切削热,为防止热变形,必须控制温度迅速散热,同时要求机床受到激振力时迅速衰减以保证机床稳定性。上述要求正好符合人造花岗岩的性能特点,所以选用人造花岗岩作为本机床床身的材料。但是由于人造花岗岩抗弯强度低,弹性模量是铸铁的1/3～1/4,因此床身设计壁厚为铸铁的3～5倍。但也应在满足机床床身强度和刚度要求前提下,尽量减少材料用量。

2.2 机床立柱设计

本文设计为高速机床,主要加工范围是各种型腔模具。所以选定机床的立柱和横梁组成立式龙门结构。该结构受力均匀,结构稳定,在高速加工中可以保证高精度,高刚度的要求。

机床立柱材料考虑选用HT250,该材料的抗拉力强,减振性、耐磨性、铸造性较好,其内部结构稳定,不易变形[4]。

2.3 机床横梁设计

立式龙门结构的横梁主要形式有工字钢形、梯形、矩框形。数控龙门铣床横梁的设计原则为:在满足机床刚度和强度的前提下,尽量使横梁结构轻质化。综合多方面考虑,机床的横梁采用梯形。机床横梁材料的选取和立柱相同。

3 高速数控机床实体建模

以往传统机械设计,只是单纯依靠类比、模仿,进行经验类比设计。设计出产品后,首先制造样机,以此来进行测试。当发现不足和缺陷,再反馈到设计图纸上进行改进,再测试,以此往复进行,直到生产出成品。此方法效率低下,设计成本较高。近几年,随着虚拟技术逐渐发展成熟,计算机技术、网络技术的快速发展,虚拟技术正朝着更加广阔的方向发展。机械产品的设计以虚拟技术为依托,结合人机工程学,通过分析机械产品设计中存在的缺陷,从而得出改进的方法。

在机械产品制造前,首先要进行零部件的设计,然后自下而上进行装配形成一个完整的机械产品。这样很容易出现零部件装配干涉及设计缺陷。而虚拟设计技术就是为了避免上述情况而开发的。虚拟设计主要包含产品实体建模、建立虚拟环境和运动仿真。该技术的出现,既节省了大量的设计成本,又缩短了产品的设计周期。

目前,虚拟设计中实体建模主要是使用三维设计软件来建立产品零部件或整机的三维数字模型。该软件可以在机械产品设计中进行外形设计、装配体干涉分析、运动仿真、应力分析、数控代码生成等。通过采用Solid Works软件还可对机床主要零部件进行三维实体建模。

零件建模主要包括单个零件的建模和零部件的装配。单个零件建模过程主要由二维草图绘制开始。草图绘制是Solid Works建模的基础环节,主要作用是生成特征,即拉伸、扫描、旋转、放样等。当完成单个零件建模后,最终的目标是把零部件装配在一起,完成最终产品设计开发[5]。在零件装配中,各零件是依靠装配约束来实现的,通过指定各零件间的约束关系,从而确定它们之间的具体位置,最终确定所有零件之间的约束关系而完成装配。Solid Works装配中常用的约束关系为:垂直、平行、重合、同轴等。使用Solid Works 2008对机床部件建模过程主要有以下步骤。

1)根据零件自身结构特征,使用Solid Works2008基本实体造型功能,对零件进行整体建模。

2)根据零件局部结构特征,在零件整体结构特征的基础上进一步细化零件特征。

3)通过钻孔、增加筋版等功能修饰上一步零件特征,进一步细化零件特征。

4)最后根据具体零件模型对上一步特征进行倒角、倒圆过渡等操作完成零件的建模。图1为机床床身实体建模,图2为机床立柱实体建模,图3为横梁实体建模。

对于机械设计而言,单纯的零件建模没有意义。把各个零部件按照约束关系,装配成一个完整机械装置,并进行干涉等检查分析,满足设计要求后,才是设计的最终目标。

在装配体初步装配完成后,需要进行干涉检查。干涉检查的目的就是检查装配体中各个零部件之间是否存在干涉现象。通过干涉检查,可以在设计初期发现设计中的错误,以免对设计后期造成影响。

通过软件的干涉检查,可以发现零件建模中存在的错误。经过修改后,再次进行干涉检查,直到装配体不再有干涉,干涉检查完成。图4为经过干涉检查后的机床整机实体建模。

4 结论

笔者首先以加工中高速数控铣床的要求为前提,设计其主要结构参数,其次以Solid Works软件对其主要部件进行三维实体建模,并进行了机床整机装配。最后通过Solid Works软件进行干涉检查,检查无误后,完成高速数控铣床结构模型设计。

相比于以往传统机械设计,设计周期缩短,效率提高,转化成实际成品的生产成本降低。虽然这只是一种尝试,但也存在许多不足,在未来的机械设计中只有不断推陈出新,设计方法才会不断优化,设计出的产品才会满足市场的需要。

摘要：按照模块化设计原则,对影响高速数控铣床刚度、稳定性和抗震性的主要部件进行了分析设计,探讨了设计要求建立三维实体模型,并提出了进行整机装配,完成高速数控铣床的结构设计。

关键词：高速数控铣床,结构设计,高速切削

参考文献

[1]21世纪初机械制造业发展的特点和趋势[EB/OL].[2012-5-20].http://www.bmlink.com/news/message/183231.html.

[2]袁峰,王太勇,王双利.高速切削技术的发展与研究[J].机床与液压,2005,12(1):8-11.

[3]岳少雷,任妍欣.高速切削技术在敏捷制造中的重要地位[J].机械工人,2005(10):33-34.

[4]席俊杰,徐颖.高速切削技术的发展及应用[J].制造业自动化,2005,12(27):26-29.

[5]吕琳.高速切削技术的发展与应用[J].机电产品开发与创新,2008(21):174-176.

高速数控铣床结构静力分析研究 篇2

作者前期已完成高速数控铣床结构设计,但设计出的结构能否满足高速加工的要求还是未知。因此,借助ANSYS有限元软件对机床零部件进行静力分析,以此找出部件设计中的薄弱环节,为结构设计优化提供支持和帮助。

1 模型简化

在前期使用SolidWorks2008对机床主要部件实体建模后,不能直接导入到ANSYS10.0中。因为如果把模型直接导入的话,模型中许多非常细小的倒角、凸台等会使ANSYS10.0在划分网络的时候非常困难,浪费时间。同时,模型中的细小的部分,在实际有限元分析中,影响非常小。所以在通过SolidWorks2008建模后,首先应对模型进行简化:

(1)略去功能件和非承载构件。

(2)部分圆弧过渡简化为直角过渡,工艺上需要的倒角,拔模斜角等都不考虑,目的都是为了提高网络划分的精度和整机模型的计算速度。

(3)在不影响整体结构的前提下,对截面形状做一定简化。

(4)对于一些结构上的孔、台肩、凹槽、翻边在截面形状特性等效的基础上尽量简化,对截面特性影响不大的特征予以忽略。

2 静力分析

2.1 床身静力分析

机床床身在整个机床设计中处于非常重要的地位。它起着支撑立柱、工作台、横梁等部件的作用。床身的静刚度、固有频率、振型等直接影响机床加工零件的精度和质量。所以,在机床床身建模后,要对床身进行有限元分析,发现设计中存在的问题,积极改进。

在使用ANSYS10.0进行分析前,首先要进行属性定义。需要定义的属性有:定义单元类型、定义材料属性。选取SOLID45三维实体单元进行分析。床身材料选用花岗岩,查《机械加工手册》后取弹性模量为4.5×104Mpa,泊松比取0.27,密度为2.8×103kg/m3。

单元属性定义后,接着开始对模型进行网格划分。对模型网格划分的好与坏直接影响了后续的分析工作。ANSYS10.0共有两种网格划分方法,分别是:自由网格和映射网格。本文综合考虑,对机床床身使用自由网格方法,精度等级选6级。图1为划分网格后的机床床身模型。

机床床身是机床最大的基础部件,它主要受左、右立柱的重力,横梁的重力,X轴、Z轴滑块的重力,主轴箱和主轴重力,工作台重力。根据前期使用SolidWorks2008软件计算立柱、横梁、滑块、主轴箱和主轴、工作台的质量得到:两个立柱对床身压力为6860N,横梁对床身压力为4704N,X联接块、Z轴滑块、主轴对床身压力为2940N,工作台装夹的工件对床身压力为29000N。根据床身底部安装地脚螺栓的固定技术,设置床身安装螺栓处底面全约束。

通过求解,得到机床床身等效应力云图和床身整体变形云图。图2为机床床身等效应力云图。

通过观察机床床身等效应力云图,得到机床床身大部分区域的等效应力值在0～14.804Mpa,最大值为133.212Mpa。该处发生在机床床身安装立柱位置处。通过分析可知,机床床身安装立柱位置处应力较大,可通过增加机床床身厚度来减小应力集中。机床床身所用材料在抗破坏能力上还有较大的潜力,表明床身其他位置设计趋于保守,还有很大的优化空间,可在后续研究中进一步优化床身结构。

图3为机床床身整体变形云图。通过观察机床床身整体变形云图,得到机床床身整体变形量较小,为0.668μm,发生在机床床身安装立柱位置处。该位置主要承受立柱、横梁、滑块、主轴等部件的压力,所以通过分析也知道床身最大变形应该在此位置。由于床身整体变形量非常小,所以床身具有很高的静刚度,对于机床高速加工情况下,完全可以保证零件加工精度。

2.2 立柱静力分析

机床立柱是机床非常重要的一个部件。它起着联接横梁和床身的作用,并支撑横梁及主轴箱和主轴等零部件。立柱的好坏直接影响着机床整机的工作性能和零件的加工精度。

根据前期设计,立柱材料选取HT250。选取SOLID45三维实体单元进行有限元分析。查《机械加工手册》弹性模量为(1.05～1.3)×105Mpa,取平均值为1.175×105 Mpa,泊松比取0.27,密度为7.8X103kg/m3。

本文综合考虑,对机床立柱所选用的SOLID45单元划分使用自由网格方法,精度等级选6级。图4为划分网格后的机床立柱模型。

机床立柱主要受横梁的重力,X轴、Z轴滑块的重力,主轴箱和主轴重力。根据前期使用SolidWorks2008软件计算横梁、滑块、主轴箱和主轴的质量得到:横梁对立柱压力为4704N,X联接块、Z轴滑块、主轴对立柱压力为2940N。根据立柱与床身靠螺栓联接的固定技术,设置在螺孔相应的节点位置限制X、Y、Z三个方向的自由度。

通过求解,得到机床立柱等效应力云图和立柱整体变形云图。图5为机床立柱等效应力云图。通过观察机床立柱等效应力云立柱大部分区域的等效应力值在0～100.652Mpa,最大值为150.8Mpa。该处发生在立柱对应工作台方向截面交界部位,存在较大应力。主要是截面突然变化引起的应力集中现象。可通过圆角过渡,减小应力集中。

图6为机床立柱整体变形云图。通过观察机床立柱整体变形云图,得到机床立柱整体变形量较小,为1.066μm,发生在机床立柱安装横梁的边缘位置处。该位置主要承受横梁、滑块、主轴等部件的压力,而且该部位厚度较小。所以通过分析也知道立柱最大变形应该在此位置。由于立柱整体变形量非常小,所以立柱具有很高的静刚度,对于机床高速加工情况下,完全可以保证零件加工精度。

2.3 横梁静力分析

横梁主要起联接立柱支撑主轴箱和主轴的作用。立式龙门结构的横梁主要结构形式有工字钢型、梯形、矩框型。数控龙门铣床横梁的设计原则是在满足机床刚度和强度的前提下,尽量使横梁结构轻质化。综合多方面考虑,本课题横梁采用梯形。

根据前期设计,横梁材料选取HT250。选取SOLID45三维实体单元进行有限元分析。查《机械加工手册》弹性模量为(1.05～1.3)×105Mpa,取平均值为1.175×105Mpa,泊松比取0.27,密度为7.8×103kg/m3。

本文综合考虑,对机床横梁所选用的SOLID45单元划分使用自由网格方法,精度等级选6级。图7为划分网格后的横梁模型。

机床横梁主要受刀具的切削力、滑块和主轴箱、主轴的重力。假设使用高速钢立铣刀加工工件,刀具直径为Φ10,工件材料为碳钢。加工中铣削深度1mm,每齿进给量0.05mm/z,铣刀齿数为4。由《实用机床设计手册》得铣削力计算公式为:Fz=642apaf0.72ae0.86d0-0.86z KFZ;其中ap表示铣削深度,af表示每齿进给量,ae表示铣削宽度,d0表示铣刀直径,z表示铣刀齿数,KFZ表示铣削力修正系数。把ap、af、ae、d0、z、KFZ代入公式得:

根据《机械加工工艺手册》中各种铣刀水平分力、垂直分力、轴向力与圆周分力比值表查得:

机床横梁受上述切削力的反作用力和X联接块、Z轴滑块、主轴对横梁压力为2940N。

根据横梁与立柱靠螺栓联接的固定技术,设置在螺孔相应的节点位置限制X、Y、Z三个方向的自由度。

通过求解,得到机床横梁等效应力云图和横梁整体变形云图。图8为机床横梁等效应力云图。通过观察机床横梁等效应力云图,得到机床横梁大部分区域的等效应力值在0～48.536Mpa,最大值为145.066Mpa。该处发生在机床横梁安装滑块位置处。通过分析可知,该位置处主要承受滑块、主轴部件的压力和刀具高速加工过程中对于横梁的反作用力。

图9为机床横梁整体变形云图。通过观察机床横梁整体变形云图,得到机床横梁整体变形量较小,为1.603μm,发生在机床横梁上部中间位置处。在进行横梁静力分析时,根据经验,把载荷位置选在了横梁的中间位置。横梁在该位置主要承受滑块、主轴等部件的压力,还有刀具高速加工过程中切削力的反作用力。所以通过分析也知道横梁最大变形应该在此位置。由于横梁整体变形量非常小,所以横梁具有很高的静刚度,对于机床高速加工情况下,完全可以保证零件加工精度。

3 结论

本文使用ANSYS软件建立高速数控铣床主要部件立柱、横梁及床身的有限元静力学模型,并进行结构静力分析计算,以此来检验前期高速数控铣床的结构设计是否满足高速加工的要求,经验证,满足要求。但有限元静力分析只能通过软件计算得到机床部件的静刚度,也就是只能得到床身、立柱、横梁在承受固定载荷如重力、切削力等的情况下,其抵抗变形的能力。而随着设计技术日益提高,在机床设计中只单纯保证静刚度已远远不能满足现如今对机床的要求。人们越来越关住机床的振动情况。所以后续工作将对机床部件进行模态分析。以求更全面地分析机床结构,达到优化设计的目的。

摘要：使用ANSYS软件建立高速数控铣床主要部件:立柱、横梁及床身的有限元静力学模型,并进行结构静力分析计算。以此来检验前期高速数控铣床的结构设计是否满足高速加工的要求。

关键词：高速数控铣床,有限元,静力分析

参考文献

[1]侯红玲,邱志惠,赵永强.高速切削机床横梁的静态与动态分析[J].机械设计与制造,2006(,5):38～39.

[2]杜平安,甘娥忠,于亚婷.有限元-原理、建模及应用[M].北京:国防工业出版社,2006.

[3]刘涛,杨凤鹏.精通ANSYS[M].北京:清华大学出版社,2002.

[4]尚晓江,邱峰,赵海峰等.ANSYS结构有限元高级分析方法与范例应用[M].北京:中国水利水电出版社,2005.

高速铣床 篇3

当今世界装备制造业中,高速数控机床占据着相当重要的地位。高速数控机床以其精度高、加工工件热变形小、加工过程绿色无污染等优点被越来越多的国家认可和接受,纷纷大力发展高速数控机床。

本文以某机床厂研制的CLK5162高速数控铣床的横梁为研究对象,对其进行动态性能分析,检验其是否满足设计要求,并根据分析结果对其进行优化。

1 横梁的三维建模及模态分析

CLK5162高速数控铣床设计的主要目的是为加工各种高精度模具。利用SolidWorks软件建立机床整机模型,如图1所示。对机床横梁进行三维实体造型,如图2所示。

接着通过ANSYS软件对横梁进行模态分析。在把零件模型导入ANSYS之前要进行一定的简化,目的是为了提高划分网格的速度和质量,所以通常略去功能件和非承载构件,并将部分圆弧过渡简化为直角过渡[1]。横梁材料为HT250,弹性模量E=1.175×105MPa,泊松比μ=0.27,密度ρ=7.8×103kg/m3[2]。对机床横梁选用Solid45单元使用自由网格方法划分,精度等级选6级。根据横梁与立柱靠螺栓联接,在螺孔相应的节点位置限制X、Y、Z三个方向的自由度。

由于激振力的频率一般不高,横梁的高阶频率远高于激振力的频率,因此对横梁进行模态分析时,一般考虑横梁的低阶频率[3],避免低阶频率和激振力的频率重合而发生共振。本文分析机床横梁的前5阶频率,表1为机床横梁的前5阶固有频率,图3~图7为机床横梁前5阶振型图。

由图3~图7可知:机床横梁第1阶振型总体最大变形量为0.273mm,横梁整体向中间凹陷;机床横梁第2阶振型总体最大变形量为0.151 mm,横梁中部向外凸起;机床横梁第3阶振型总体最大变形量为0.274mm,横梁整体发生扭曲;机床横梁第4阶振型总体最大变形量为0.223mm,横梁下部向中间凹陷;机床横梁第5阶振型总体最大变形量为0.146 mm,横梁上部和两侧面发生扭曲。

2 横梁优化

机械设计中,任何设计方案都是可以进行优化的,优化设计的目的是寻找优于原设计的最优方案,其中的“最优”是设计满足实际的所有要求[4],并且所花费的成本最小,因此也称优化设计是寻找效率最高的设计方案。在机械设计中,和最终产品有关的任何参数都是可以优化的。

通过ANSYS软件分析得到横梁前5阶固有频率,从横梁的筋板布置入手,改变筋板的布置,以此来提高横梁的固有频率,达到优化横梁的目的。

2.1 横梁筋板布置改进

改进方案1是在不改变横梁尺寸大小的前提下,先假设将横梁的筋板厚度由原来的12mm改为20mm,改进方案1的实体模型如图8所示。改进方案2、3、4均重新设计了横梁的筋板布置类型,实体模型分别见图9~图11。

通过重新设计横梁筋板布置情况,得到改进后的3种类型。其中改进方案2是叉字型结构,通过筋板交叉构成;改进方案3是S型结构,在横梁中直接布置单个倾斜的筋板,筋板之间构成S型结构;改进方案4是矩形格结构,是在原横梁筋板设计的基础上增加了一条水平布置的筋板,使得水平筋板和竖直筋板之间构成矩形格。

2.2 横梁改进后的模态分析

对改进后的横梁进行模态分析时,采用原先分析时的单元类型、网格划分方法、划分网格的精度和同样的约束条件,这样可以保证在与原有横梁同样的条件下进行分析比较,以此来找出最优的筋板布置类型。通过ANSYS软件分析得到改进后4种横梁的前5阶固有频率,见表2。为便于比较,将原横梁的固有频率也列于表2中。

通过表2分析比较可得:4种改进方案的固有频率都高于原机床的,其中改进方案2的前5阶固有频率最高,横梁最稳定。横梁筋板厚度增加后,前5阶固有频率提高都比较明显。比较改进2和改进3可知:单纯增加筋板数目并不能显著提高横梁的固有频率;二者比较发现,除第1阶横梁固有频率差别较大外,其余4阶差别不是很大。一味加大横梁筋板的厚度会造成横梁质量增加,随之会大大增加机床制造成本,因此在满足机床设计要求的前提下,应尽量减小机床各部件的质量,使其轻量化。

所以,最终横梁筋板布置选择改进方案3。因为在上述横梁筋板设计方案中,改进2和改进3固有频率都比较高;但改进3结构相比改进2简单,更易于在实际生产中加工;同时改进3质量小于改进2,符合前面所说的满足机床设计要求的前提下使机床部件轻量化的原则。

2.3 横梁筋板厚度的改进

当确定好横梁筋板布置类型后,筋板的厚度还没有找到最佳的方案,因此在选定横梁筋板的布置类型的前提下,分别选择筋板厚度为10 mm、15 mm、20mm、25mm,以检验筋板厚度对横梁固有频率的影响,得到横梁的固有频率如表3所示。

由表3可知:随着横梁筋板厚度的增加,横梁前5阶固有频率大体上依次增加,但增加幅度差异很大;筋板厚度为20mm的横梁在第3阶和第4阶固有频率中出现了比筋板厚度为15mm的横梁相应固有频率降低的现象;筋板厚度为15 mm和25 mm的横梁在第2阶固有频率中分别出现了比筋板厚度为10 mm和20mm的横梁固有频率降低的现象。所以,随着筋板厚度的增加,横梁的前5阶固有频率增加并不是呈线性关系,也有固有频率降低的现象。

因此综合考虑并结合前面所说的机床部件轻量化原则,最终确定横梁筋板厚度为15mm。

3 结论

本文通过对CLK5162高速数控铣床的横梁进行动态性能分析,发现横梁的薄弱环节。从横梁的筋板设计形式和筋板厚度入手进行优化,从中选出较理想的参数,提高了横梁的动态性能,达到了预期目标,并为今后CLK5162高速数控铣床的其他部件优化提供了理论依据。

参考文献

[1]杨庆东.五轴联动数控铣床的高速动态特性分析[J].北京机械工业学院学报,2007,22(4):59-61.

[2]王亮,刘武发.高速数控铣床结构静力分析研究[J].现代制造技术与装备,2012(3):7-9.

[3]刘国庆,杨庆东.ANSYS工程应用教程——机械篇[M].北京:中国铁道出版社,2003.

高速铣床 篇4

当今世界高速数控机床的研制是各个国家在装备制造业竞争中博弈的一个重要方面。随着世界制造业向着高速、高精度、高智能化方向发展, 高速数控机床应运而生, 成为满足现代制造业特点的主要工具。本文以CLK5162高速数控铣床的立柱作为研究对象, 对其进行动态特性研究, 检验其能否满足加工精度要求, 并根据检验结果尽可能对立柱结构进行设计优化。

1 立柱的实体建模与模态分析

CLK5162高速数控铣床主要用于加工各种高精度行腔模具。通过Solid Works2008软件对机床实体建模, 装配如图1所示。对立柱进行三维实体建模如图2所示。

接着使用ANSYS10软件对CLK5162高速数控铣床立柱进行模态分析。在立柱模型导入ANSYS10软件之前, 需要对其进行简化, 目的是为了提升ANSYS10软件划分网格的质量和速度。所以把功能部件和非承载部件都省略掉。部分非重要尺寸的圆弧过渡简化为直角过渡[1]。

立柱材料选定为HT250。选用ANSYS10软件中提供的SOLID45三维实体单元进行有限元分析。取其材料泊松比为0.27, 弹性模量为1.175×105MPa, 密度为7.8×103kg/m3[2]。设定立柱螺孔相应节点位置处限制X、Y、Z三个方向的自由度。对立柱进行模态分析时, 由于激振力相对来说不大, 所以一般取低阶频率[3]。

立柱第一阶固有频率为422.51 Hz, 最大变形量为0.1539 mm, 变形为上部和横梁接触部分向上抬起。立柱第二阶固有频率为443.63 Hz, 最大变形量为0.1649 mm, 变形为立柱上部向下延伸部位向上抬起。立柱第三阶固有频率为816.28 Hz, 最大变形量为0.214 mm, 表现为立柱后背面上部两顶角位置与横梁接触位置发生扭转。立柱第四阶固有频率为1101.54 Hz, 最大变形量为0.2167 mm, 表现为前背面边缘位置向上突起。立柱第五阶固有频率为1449.1 Hz, 其最大变形量为0.1788 mm, 表现为整体绕Z轴扭转。

2 立柱的优化

机械设计中, 任何设计方案都是可以进行优化的。优化设计的目的是寻找优于原先设计的最优方案。其中的“最优”是设计满足实际的所有要求[4], 并且要求所使用的成本降到最低。使用ANSYS10软件分析立柱得到其前五阶固有频率和振型图后, 下边从立柱的内部筋板结构设计形式入手, 改变筋板结构设计形式, 以提高立柱的固有频率。

2.1 筋板结构设计形式改进

根据原立柱内部筋板的设计, 在不改变原立柱结构大小尺寸的前提下, 改变立柱筋板的厚度, 由原来的12 mm变为20 mm。并参考国内外设计资料重新对筋板布置进行了设计。

通过改变立柱筋板结构设计形式, 得到了四种筋板布置类型。其中结构设计改进1型为米字形结构, 主要是水平、竖直相间的筋板和对角线交错的筋板两者结合组成。结构设计改进2型是长方形方格结构, 是在立柱内部构造一个长方形框, 并在长方形框中等分三份。结构设计改进3型是交叉结构, 是在改进1型的基础上去掉了横竖相间的筋板布置。结构设计改进4型属于S型结构, 在改进2型的基础上去掉了水平布置的筋板, 改由对角线单一布置构成S型结构。

2.2 筋板结构设计形式改进后模态分析

对立柱筋板结构设计形式改进后, 采用和原来一样的分析条件, 以便与原立柱的筋板设计进行对比, 找出相对最优设计形式。使用ANSYS10软件分析, 得到改变立柱筋板厚度和改变立柱筋板结构设计形式的四种方案的前五阶固有频率, 如表1所示。

通过表1可得改进筋板结构设计的四种设计方案里, 只有改进2型的前五阶固有频率低于原设计。主要是立柱筋板厚度增加的缘故。其中改进1型的方案立柱前五阶固有频率最高。而原设计通过改进筋板厚度得到的前五阶固有频率和改进1型对比可得, 单纯增加立柱筋板的数量不能明显提高立柱的固有频率。而且单纯增加筋板数量会使机床立柱制造成本提高, 违背了机床轻量化设计的原则。在满足机床加工要求的前提下, 应尽可能减小立柱的质量。

所以, 综上考虑, 选择原立柱的筋板结构设计形式。

2.3 改变筋板厚度后模态分析

确定立柱筋板结构设计形式后, 筋板厚度还没有确定。故以原立柱的筋板结构设计形式为前提, 取其厚度为10 mm、15 mm、20 mm、25 mm建立立柱有限元模型, 来分析不同厚度的筋板对立柱固有频率的影响。不同厚度筋板的立柱前五阶固有频率如表2所示。

通过表2分析得到, 随着筋板厚度的逐步增加, 立柱固有频率也不断提高。但是固有频率提高的幅度不同, 差异很大。综合比较后, 选择厚度为20 mm筋板最合适。虽然再增加筋板厚度还可以提高立柱的固有频率, 但是效果不显著。综合考虑, 最终选定立柱筋板厚度为20 mm。

3 结论

通过对CLK5162高速数控铣床的立柱进行分析, 得到立柱前五阶固有频率。通过改进其内部结构设计形式, 提高了其固有频率, 为后续机床其他部件优化设计提供了理论支持。

参考文献

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[3]刘国庆, 杨庆东.ANSYS工程应用教程—机械篇[M].北京:中国铁道出版社, 2003:253-303.