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0 引言静刚度是衡量金属切削机床的重要性能指标之一,机床的静刚度对机床几何精度抗振性、生产率、运动平稳性、发热与磨损等都有影响. 3ZX 平面铣床是一种主要用于加工大型平面的新型机床,由于该铣床工作跨距较大,在设计与选型阶段多根据设计者的经验确定参数,往往易造成刚度不足或安全系数过大,造成结构尺寸较大.国外在机床研究方面主要采用有限元分析方法,对结构静、动刚度和动态稳定性进行评估目前国内机床研制也广泛应用有限元方法进行结构分析及其优化设计. 横梁是机床的重要承载部件,其静、动态特性对整机的加工精度和精度稳定性影响较大.笔者通过建立横梁结构的有限元模型,并根据横梁的实际受载情况对其进行静、动特性分析.根据分析结果对横梁及横梁内筋板的布置进行拓扑优化设计,有效提高横梁承载刚度与低阶固有频率,增强机床的工作能力.
1 横梁模型及有限元分析结果 机床结构整体模型如图1所示,立柱及铣刀壳体等部件均安装在与横梁下部导轨滑块相联的铣床整体结构 Fig. 1 M illing machine integral structure 立柱底座上.由于横梁整体结构跨度较大(5 625 mm×810 mm×450 mm)且采用开式结构.根据厂方要求,该铣床加工对象的加工精度要求控制在 0·15 mm以内,主轴的转速为300~350 r/min,铣刀齿数为6个,计算得该机床的工作频率为30~ 35Hz,横梁自重为3·5 ,t立柱及铣刀壳体总重量为1·67 .t笔者主要以机床横梁为研究对象,横梁在工作时所受的力有加工时产生的铣削力、自重、铣刀壳体与立柱的重力、移动部件与固定部件相对运动时导轨面间的摩擦力、热应力等,由于该铣床每转铣削量仅为0·05 mm,铣削力与横梁及立柱以上结构自重相比相差很大,故忽略铣削力的影响,主要以横梁、铣刀壳体及立柱的重力为主.在横梁分析中将铣刀壳体及立柱简化为等效质量点处理.根据圣维南原理,对结构中存在的局部特征如倒角、小圆角、螺栓孔等进行适当的简化.对横梁与纵梁联接部位施加全约束, 雷少敏,等: 3ZX平面铣床横梁有限元分析及优化研究因为横梁的最大变形发生在立柱结构运行至横梁中间位置时,所以建立横梁的有限元模型如图2所示.
2 Finite elem entmodel of crossbeam 在原横梁结构下,求解得不同网格精度下横梁有限元模型的的Y向静态最大位移为0·174~ 0·178 mm,如图3所示. 不同网格精度下横梁Y向等效位移 Fig. 3 TheYdirection equivalent displacem ent distribution of crossbeam under different m esh precision 横梁模态分析得各阶固有频率及振型如表1 所示.固有频率和振型是机械结构的固有特征,而低阶固有频率对加工精度影响尤为明显,因此应使机床工作时尽可能的处于结构的准静态区域. 根据静力求解及动力分析结果,对比厂方要求机床的工作频率可知,横梁静刚度均没有达到设计要求,并且机床稳定工作时激振频率处于横梁的惯性区,当机床启动或停止时横梁结构都会产生共振,这也会影响到机床的精度和寿命.分析可知横梁沿Y向与Z向的结构是横梁的薄弱环节,因此有必要对横梁的结构、筋板的布局进行优化,以提高横梁的动静态特性.
