基于有限元法的镗孔专用机床床身分析

徐协斌，邓建春，陈祥

(华中科技大学机械科学与工程学院先进制造工艺与装备工程中心，湖北武汉 430074)

基于有限元法的镗孔专用机床床身分析

徐协斌，邓建春，陈祥

(华中科技大学机械科学与工程学院先进制造工艺与装备工程中心，湖北武汉 430074)

机床床身是机床的核心部件，对提高机床本身机加工精度有着非常重大的意义与影响力。以泵车水箱加工的镗孔专用机床为研究对象，利用Solidworks软件进行床身及相关零件的三维造型，再把实体模型导入ANSYS Workbench中进行静力学和动力学分析。通过不同筋板形式床身的比较，确定合适的筋板布局形式，进而对选定筋板形式的床身结构进行优化分析，最终确定床身的结构。

组合镗床;静动态性能分析;有限元;结构优化

机床床身主要是承载滑台及工件、定位及电气部件等的主体，就像人的身体一样，是机床的主要核心部件，是机床的其他部件安装、固定的基础，对机床的整体性能具有举足轻重的作用，它的结构尺寸和布局形式，决定了其本身的动态特性。但现在研究的重点一般都放在机床传动部件的精密度、床身的刚性、刀具材料的选择和开发上，机床床身结构及性能很少作为重点对象来研究。如果床身结构设计不合理或刚度不足，会引起床身的各种变形和振动，从而影响整机的性能，工件的加工精度自然不会太高。

床身结构的动静态性能不仅与筋板的结构、布局有关，也与垫铁的位置有关，这些因素互相影响。另一方面，床身是机床的大件，其质量占整机质量的很大一部分，合理地设计床身结构，使床身在满足使用要求的条件下质量最小的优化设计，可降低机床生产成本，提高经济效益。以下以某组合镗床的床身为研究对象，运用Solidworks软件建立床身及相关零件的三维模型，再通过ANSYS Workbench软件进行静动态特性分析及床身机构的比较与优化。

1 床身总体静力学分析

组合机床的整体布局如图1所示，工件的加工分为初加工和精加工，最后通过测量头检测，所以床身的受力状态是变化的，主要有3个受力位置，即工件滑台在普通镗头处(位置1)、补偿镗头处(位置2)以及测量头处 (位置3)。床身通过8个地脚螺栓与地面固定连接，它在3个位置均受到整个工件滑台部件以及自身的重力，当工件滑台处于位置1和位置2处，床身还受到镗削加工时切削力的作用。根据镗削经验公式可得，在位置1处，左边普通镗头的主切削力Fe为300 N，背向力 (切深抗力)Fp和进给力(进给抗力)Ff均为180 N;右边普通镗头的主切削力为200 N，背向力和进给力均为120 N。在位置2处，两个镗头的主切削力均为60 N，背向力和进给力均为36 N。

图1 组合机床整体布局图

通过Solidworks建立床身及相关零部件的实体模型，省去一些倒角、倒圆以及小孔等，简化模型以提高计算效率;再导入到ANSYS Workbench中，分别对3个主要受力位置进行静力学分析。给床身底部的8个地脚螺栓孔施加固定约束，工件滑台上施加0.01 MPa的面力，总体施加向上的重力加速度，工件滑台在位置1和位置2处还要施加相应的切削力。滑台在位置1处的受力变形如图2所示，它是总体有限元模型的变形图，从图中可知，床身的最大变形发生在端部位置。

图2 床身总体部件有限元模型的变形图

工件滑台在3个主要受力位置处时，床身的最大应变及应力如表1所示。床身所受的最大应力很小，而且随着工件滑台位置的变化，它的变化也很小。床身最大应变出现在端部位置，且工件滑台处于位置1时，变形量最小，最大变形量有5.98 μm。

表1 床身总体部件静力学分析结果

2 床身模态分析与结构比较

2.1 床身模态分析

床身模态分析主要是计算床身的固有频率，不需要对其施加载荷，把单个的床身模型导入到ANSYS Workbench软件中，由于床身尺寸过大，为了顺利完成有限元计算并提高其效率，采用粗糙的网格划分。给底部螺栓孔施加固定约束，提取前6阶固有频率和前4阶振型，分别如表2及图3所示。

表2 模态分析结构

图3 1、2、3、4阶振型

由分析结果可知，床身结构低阶固有频率较高，不容易产生共振，但高阶固有频率没有比低阶的大很多。床身结构的抗扭和抗弯能力很强，但是其受载后变形是不均匀的，床身端部的变形量总是比中间部位的大，而且靠近工件滑台位置1这端的变形量最大。

2.2 床身结构比较

由于床身的最大变形总是发生在端部位置，所以仅考虑其两端结构不同时，它的变形量和应力大小。

床身端部筋板不同时，它的结构形式有6种，如图4所示，它们分别为:一条竖筋板、一条横筋板、两条斜筋板、两条横筋板、两条竖筋板、一横一竖两条筋板。把其分别导入ANSYS Workbench中，施加固定约束和重力加速度，同样采用粗糙网格划分模型，计算各结构形式的变形量及应力大小，结构如表3所示。

图4 不同端部筋板结构形式

表3 不同床身结构的应力应变大小

从表3中可以看出，各种结构的应力都很小，而且差别不大。结构2，亦即床身两端各只有一条横筋板时，床身的变形量最小，说明床身的变形不仅与筋板的结构和布置形式有关，还与总体的结构有关。文中采用结构2所示的床身结构。

3 床身结构优化

以下主要对床身中间部位的筋板结构进行优化，在Solidworks中建立三维模型。与筋板厚度参数有关的草图或特征名称需要改为不含中文和空格的名字，参数也需要以ds为前缀，如:ds_001。保存文件之后，把模型导入到Workbench中，然后进行静力分析，得到最大变形量和最大应力，因为各种床身结构的应力都很小，所以只把应变设为优化分析的输出参数。把Solidworks中设置的筋板厚度参数设为输入参数，有中间部分筋板厚度参数ds_01及两边筋板厚度参数ds_02两个，而且它们原始值均为15 mm，最后设置参数边界，下边界设为10 mm，上边界设为20 mm。设置优化目标，更新设计点，得到优化目标(变形量)与两个优化参数 (筋板厚度)间的三维响应曲面，如图5所示，图中x、y坐标分别为优化参数ds_01和ds_02，z坐标为床身变形量。

最后得到优化后的输入参数为:ds_01为19.997 mm，ds_02为11.91 mm，床身优化前后的质量、基频频率以及变形量的比较如表4所示。

从表4中可知，床身结构优化之后，它的质量有微量的减少，可以忽略不计;它的基频频率减少的比率也只有0.47%，对床身动态性能影响不大;但优化后的床身变形量减少了将近2%，这使机床的加工精度能够有一定的提高。

图5 优化参数响应曲面

表4 优化前后床身结构性能比较

4 结束语

机床床身是机床上其他部件安装、固定的基础，是机床的核心部件，对提高机床本身机加工精度有重要的意义。为了排屑方便以及减轻整体质量，床身结构一般由主体框架和加强筋组成。床身的变形不仅与筋板的结构和布置形式有关，还与总体的结构有关。盲目增加筋板数量及厚度并不一定能提高床身的机械性能，反而会增加成本，所以需要通过有限元法对其进行动静态分析和优化计算来确定它的合理结构形式和参数。

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Analysis of Dedicated Machine Tool Body for Boring Based on Finite Element Method

XU Xiebin，DENG Jianchun，CHEN Xiang
(Center of Advanced Manufacturing and Equipment Engineering，School of Mechanical Science＆Engineering，Huazhong University of Science＆Technology，Wuhan Hubei 430074，China)

The machine tool body is the core components of machine tool，and has a great significance and influence to improve the machining accuracy of machine tool.By taking a research object of the dedicated boring machine tool for the water tanks processing of pump truck，the three dimensional(3D)model of machine tool body and related parts were built by Solidworks software，then the entity models were imported into ANSYS Workbench for statics and dynamics analysis.By comparison of the machine tool body with different ribs form，the appropriate form of ribs layout was determined.Thus the structure optimized analysis of machine tool body with selected the ribs form is done，and the structure of machine tool body is determined ultimately.

Combined boring machine tool;Static and dynamic performance analysis;Finite element;Structural optimization

TG65;TB121

A

1001－3881(2014)9－127－3

10.3969/j.issn.1001－3881.2014.09.035

2013－04－24

国家科技支撑项目 (02－07－100011)

徐协斌 (1989—)，男，硕士研究生，研究方向为组合机床设计及分析。E－mail:xuxiebin522@163.com。通讯作者:邓建春，E－mail:jianchundengcom@yahoo.cn。