泊头市卓远机械设备制造有限公司

龙门加工中心的加工精度和效率的提高

在龙门加工中心机械结构中，横梁是一个极其重要的组成部分。它起着连接滑座、拖板等关键零部件的作用。因为横梁自身的设计尺寸和布局形式决定了它的静、动态特性，而横梁结构的静、动态特性又与加工中心的整机性能有着密切关系，所以如何提高横梁的静、动态特性对于保证整机的加工精度和效率具有重要的意义。
1、原型整机有限元分析
1）原型整机三维模型与有限元模型本文采用Pro/ENGINEER软件建立原型五坐标龙门加工中心整机CAD模型。
在建立有限元模型时，CAD模型需要作一些处理。考虑实际加工过程中机床工况最恶劣加工位置，把横梁置于左右滑座的悬空部位，拖板与箱体安置于横梁正中。考虑运算效率和计算精度，仅保留4个立柱和2个滑座，以简化模型。用质量单元和梁单元模拟电主轴架系统对整机动、静态性能的影响，采用8节点单元Solid185对各零部件进行网格划分，同时在建模时对某些重要区域的网格进行局部细化，以提高网格划分质量。然后利用有限元分析软件ANSYS提供的接口，将处理过的CAD模型导入ANSYS中。原型五坐标龙门加工中心整机有限元模型。
2）原型整机有限元模型的动态分析
①模态分析。原型5坐标龙门加工中心设计的最高工作转速为10000r/min，由于作用在机床上的激励力频率一般都不高，因而只有最低几阶模态的固有频率才有可能与激振频率重合或接近。高阶模态的固有频率已远高于可能出现的激振力频率，一般不可能发生共振，对于加工质量的影响不大。所以只需研究机床的低阶模态。对原型整机的有限元模型进行模态分析，最能明显表现出机床动态特性的是第1、3、5阶振型，这三阶固有频率与振型如图3所示。模态分析结果。
②谐响应分析。模态分析可得到整机各阶振型和固有频率，但这仅表示机床各部位的相对振动情况，而外力激励下各阶振型对整机振动作用大小是不同的，因此对整机进行谐响应分析就能更清楚地看出在动态干扰激励下机床结构的抗振性能。在原整机有限元模型安装刀具部位加X、Y、Z分力幅值均为1000N的简谐力。根据模态分析得到机床动态特性，以及实际工况下激励力频率，设置简谐力频率在40～140Hz范围，用该简谐力对整机激振。如图4所示为该频段简谐力激励下机床刀具的振动响应。
从原型整机谐响应分析结果可以看出，在动态切削力激励下第1、3、5阶模态容易被激发。结合模态分析可以认为，第1阶振型主要是由于滑座和立柱Y向刚度相对较弱产生的变形;第3阶振型主要是横梁的扭曲变形;第5阶振型主要是横梁的扭曲变形和箱体的弯曲变形。因此，横梁结构是龙门加工中心结构设计中的一个薄弱环节。对横梁进行结构改进，适当提高横梁抗扭刚度、减小动态切削力影响下的机床变形是进一步提高整机动、静态性能的关键所在。
2、原横梁结构的动力学模型及分析
原横梁结构为铸造件，长5060mm，宽1700mm，高1335mm，自重为11.9t，图5为原横梁结构简化的CAD模型。横梁外壁板厚25mm，内部筋板厚20mm，横向有12个均布筋板，纵向筋板采用米字形结构，另外还有多条加强小筋板，如图6和图7所示。用实体单元Solid185对横梁实体模型进行网格划分，单元尺寸定为180mm，得到原横梁结构的有限元模型，如图8所示。
为了解原横梁结构的动态特性，对其有限元模型进行自由模态分析，得到原横梁结构的前15阶固有频率和振型。根据模态分析得到的横梁第1阶和第2阶固有频率分别为115.49Hz和135.27Hz，振型分别是XOY平面的弯曲变形和横梁的扭曲变形，其主振型如图9所示。由于拖板和箱体等在横梁上的悬挂安装，使整机重心偏离几何中心较大，机床处于非稳定状态，因此机床的整机性能对横梁的扭曲变形较为敏感。针对上述分析，在考虑横梁外形尺寸不变和自重基本不变的基础上，对横梁内部筋板结构和布局做相应修改，以提高横梁的动态特性，特别是其动态抗扭刚度值。
3、横梁模型结构优化设计
1)横梁模型结构优化
根据材料力学理论可知，纯扭转变形产生的剪应力是成对出现的，最大剪应力出现在与主平面成45°和135°的平面上，因此结构设计时把筋板布置在与主平面成45°和135°的平面上，用来承受扭转载荷的作用，可以提高结构的抗扭刚度。如图10所示，作用在对角筋板上的横向和纵向剪应力，分别在筋板方向和垂直筋板方向分解，垂直筋板方向的两个力分量大小相等，方向相反，互相作用，限制筋板扭转变形。而沿筋板方向力的分量如图11所示，表现为沿筋板方向的拉压。
由前面对原结构的模态分析结果可知，横梁抗扭刚度的提高对机床整机性能的改善十分重要，根据上面提到的对角筋板抗扭理论，将横梁内部的纵向筋板改为双X型，为了充分发挥纵向筋板的抗扭性能，筋板布置角度应尽量与水平面成45°和135°方向。再考虑到横梁的第一阶振型为前后方向的弯曲，为加强该方向刚度的弯曲刚度，在横梁中间位置布置一根水平筋板，修改后横梁纵向筋板的形式如图12所示。
再根据上面提出的筋板布置理论，在横梁内部设计了一对斜支撑形式的筋板。最后得到的横梁筋板形式如图13所示。横梁外形尺寸与原结构相同，横梁外壁板厚度保持25mm，筋板厚度由原来的20mm调整为15mm，横向筋板布置保持原来形式。
2)性能对比分析
①原横梁与修改后横梁模态分析比较。
考虑到机床的实际工作频带，可以认为横梁的前2阶模态特性对整机结构的动态性能有着重要作用。表2为原横梁结构与改进后的横梁结构分析结果比较。改进后横梁第1阶和第2阶固有频率较原横梁结构均有一定提高。根据(式中为第n阶固有频率，分别为对应的模态刚度和模态质量)可知，改进后的横梁对应的模态抗扭刚度有了显著提高，并且原横梁结构中对整机动态性能有重要影响的第2阶扭曲振型，在改进后的结构中变为第3阶振型，该阶振型的固有频率值提高了13.9%，因此改进后的结构达到了提高横梁动态性能的优化设计目标。
②原整机模型与新横梁整机模型静态分析比较。
把改进后的横梁与其他原机床零部件进行重新装配，得到新横梁整机结构模型，对该模型进行静力分析和动力分析。表3为原整机模型与新横梁整机模型静态分析比较。从分析结果可以看出横梁在自重减轻了4.2%的情况下，通过内部筋板的合理布置，整机的静态性能不仅没有减弱，反而在3个方向均有一定的提高，特别是Z向静刚度值提高了7.4%左右。
③原整机模型和新横梁整机谐响应分析比较。
进行谐响应分析，把分析结果和原整机模型的谐响应分析结果进行比较，得到图14。可以看出横梁经过优化后得到的新横梁整机结构在40～140Hz的谐振力作用下，振幅比原整机模型有所下降。但是在共振点振幅下降不明显，这是因为结构在共振点处的振幅主要是由结构的阻尼决定，而不是由动刚度决定。谐响应分析也可以看出新结构比原整机模型的各个共振点频率均有所提高，这也证明了模态分析结果的正确性。从上面动、静力学分析结果可以看出，横梁新结构使整机动态性能有一定的提高。并且这里提出的斜支撑筋板结构已经在其他机床的横梁中得到应用，使用后效果明显。