数控龙门铣床滑枕的动态特性分析及改进*

胡汝凯，黄美发，张奎奎，杨武军

(1.桂林电子科技大学 机电工程学院，广西 桂林 541004；2.桂林机床股份有限公司，广西 桂林 541004)

数控龙门铣床滑枕的动态特性分析及改进*

胡汝凯1，黄美发1，张奎奎1，杨武军2

(1.桂林电子科技大学 机电工程学院，广西 桂林 541004；2.桂林机床股份有限公司，广西 桂林 541004)

滑枕是数控龙门铣床中必不可少的关键零部件，也是影响机床加工精度的薄弱环节。采用有限元分析软件ANSYSworkbench对现有的方滑枕进行模态分析，在三维实体模型的基础上建立模态分析的有限元模型，研究滑枕的无阻尼自由振动，求解得出滑枕的前六阶固有频率和主振型。经过对分析结果的研究发现方滑枕低阶频率接近于滑枕内部主轴的激振频率，容易引起滑枕与滑枕内部主轴共振。为了解决现有方滑枕因低阶频率偏低而引起的滑枕与主轴共振的问题，设计了一种圆滑枕，通过分析求解得出圆滑枕的前六阶固有频率相对于方滑枕的前六阶固有频率大幅提高。

数控龙门铣床；方滑枕；模态分析；固有频率；圆滑枕

0 引言

对于大型数控龙门机床来说，基础部件必须具有足够的刚度、良好的抗振性。滑枕连接主轴和横梁，是龙门铣床中的必不可少的基础部件，机床采用主轴滑枕结构主要目的在于增强机床的动刚度，适应大型零件的强力切削[1]。滑枕的动态性能直接影响整个机床的加工精度、精度稳定性和抗振性。在机床工作过程中，如果切削力频率恰好和滑枕某一固有频率接近，滑枕可能会产生共振，进而影响切削运动的稳定性[2]。因此有必要采用有限元方法研究滑枕的动态特性[3]，为滑枕的优化设计提供依据。

文献[4]采用有限元和试验的方法，对TX6916 落地镗铣床方滑枕进行了动态特性分析。文献[5]在完成静态分析的前提下对方滑枕进行模态分析，针对原设计提出了几种改进措施对滑枕进行结构优化，通过具体实施及工程测试，机床的动态性能大大提高，满足高速、大功率切削的加工要求．文献[6]通过研究高速立式镗铣加工中心滑枕动态特性发现滑枕上端和其与丝杠的接触部位刚度较弱。在对滑枕进行优化设计时可以通过合理布置加强筋以及结构优化来提高这两个部位的刚度。文献[7]提出以其研究对象的质量为目标函数，以它的尺寸、应力以及一阶固有频率为约束条件，实现了框架的优化过程。在准确建立滑枕实体模型和模态分析的基础上，分析了影响加工中心加工性能的关键因素，并建立滑枕的优化模型。优化后的滑块模态分析结果表明，滑枕的动态性能有了有效的提高，为实现加工中心优良的加工性能提供了支持。文献[8]对现有滑枕的结构进行改进设计，提高了滑枕的前10阶固有频率，有效的避免了滑枕与其他零部件发生共振。

本文在建立方滑枕三维模型的基础上建立方滑枕的有限元模型。根据方滑枕在机床工作过程中的运动形式对其进行合理的约束。将约束和载荷作为模态分析的边界条件，进行模态分析即是求解振动系统的固有频率和振型[9]。通过对分析结果的研究发现方滑枕的低阶频率偏低，尤其是前两阶。为了提高滑枕的低阶固有频率，避免产生共振。本单位自主设计了一种新型圆滑枕。运用上述方法对圆滑枕进行动态性能分析，结果显示低阶固有频率大幅提高。

1 动态特性分析的理论基础

在结构动力学问题中固有频率和主振型是动力学问题分析的基础。模态分析用于确定设计中的结构或机器部件的振动特性，即固有频率和主振型。主振型指的是该振动系统以此阶固有频率振动时各自由度之间振幅值的比例关系和一定的相位关系[10]。

一般情况下，多个自由度系统的振动微分方程用矩阵表示为以下形式[10]:

(1)

分析无阻尼的系统的频率和振型问题就是模态分析，其微分方程的解是耦合的，互相耦合的N自由度系统方程经正交变化成为模态坐标下相互独立的N自由度系统的方程组，解耦后的第i个方程为：

(2)

式中：Ki为模态刚度；Mi为模态质量；Ci为模态阻尼；φji为模态振型。

从上式中可知，采用模态坐标后N自由度系统的响应相当于在N个模态坐标下单自由度系统的响应之和。采用归一化方法使模态质量归一，记模态质量归一化振型为φ，即：

(3)

2 方滑枕模态分析

根据设计和加工要求，滑枕材料使用HT300，材料属性如表1所示。

表1 相关材料属性

根据上述理论方程及数学模型，在滑枕伸出最长时，利用solidworks对滑枕进行建模，除去一些不必要的圆角和倒角，然后导入到ANSYSworkbench中，忽略温度的影响，按自由网格对其进行网格划分，建立其有限元模型如图1所示。

图1 方滑枕有限元模型

固有频率和振型是研究结构动态特性的重要参数，低阶频率和相应的振型对结构的动态特性起决定作用[11]。该数控龙门铣床主轴最高工作转速为3000r/min，高阶模态的频率已高于可能出现的激振频率，对于加工质量的影响不大，只有滑枕的低阶固有频率才有可能与整个机床或滑枕内部主轴的固有频率接近或重合产生共振，所以只研究滑枕前六阶模态。通过分析求解，前六阶模态振型如图2所示。前六阶模态分析结果如表2所示。

图2 方滑枕前六阶振型图 表2 方滑枕前六阶固有频率及振型描述

阶数固有频率(Hz)模态振型166.317滑枕前端沿Y向摆动269.599沿X方向摆动绕Z轴轻微扭转3141.94绕Z轴扭转4143.44滑枕基本不振动5270.5沿X方向弯曲绕Z轴轻微扭转6312.52沿Y方向弯曲

当滑枕的固有频率与滑枕内的主轴旋转时产生的激振频率相接近时将会产生共振，严重影响机床的加工精度。该数控龙门铣床的转速在5～3000r/min,由公式

(4)

计算可得，主轴激振频率范围为0.0833～50Hz，这与方滑枕的第一、第二阶固有频率比较接近。因此，方滑枕与主轴有可能发生共振而降低机床的加工精度。

3 圆滑枕结构简介

为了更好的避免滑枕与主轴产生共振，提高滑枕的低阶固有频率，本单位自主设计了一种新型圆滑枕，其内部的主轴由力矩电机直接驱动。材料仍是HT300。如图3所示为该圆滑枕的三等轴视图，图4为圆滑枕的剖面试图，从图中可以看出圆滑枕主要包括的零部件有圆滑枕基体1、刀具夹套2、联轴器3、主轴4、力矩电机(力矩电机水套5、力矩电机定子6、力矩电机转子7)、转子内套8、液压系统9、滑枕滑座10、深沟球轴承11、角接触球轴承12、顶杆13、滑枕盖14。

图3 圆滑枕三等轴视图

图4 圆滑枕剖面试图

4 圆滑枕模态分析

将在solidworks中建立的圆滑枕三维模型导入到ANSYSworkbench中进行自由网格划分后得到的圆滑枕有限元模型如图5所示。

图5 圆滑枕有限元模型

通过分析求解，前六阶模态振型如图6所示。前六阶模态分析结果如表3所示。

图6 圆滑枕前六阶振型图 表3 圆滑枕前六阶固有频率及振型描述

阶数固有频率(Hz)模态振型1138.17滑枕前端沿X向摆动2147.72滑枕前端沿Z向摆动3374.92绕Y轴扭转沿Z向轻微摆动4440.94滑枕后端沿Z向摆动5452.9沿X方向弯曲6500.89沿Z方向弯曲

通过对分析结果的研究不难看出，圆滑枕的前六阶固有频率相对于方滑枕的前六阶固有频率大幅提高，两种滑枕的振型基本保持一致，对比结果如图7所示。这就完全避免了滑枕和其内部主轴发生共振的可能。

图7 圆滑枕方滑枕前6阶固有频率对比图

5 结论

通过建立滑枕结构有限元模型，以 ANSYSworkbench 软件为分析平台，实现了主轴滑枕结构动力学分析可得到下列结论:

(1)求解出了现有方滑枕模态的前六阶固有频率和主振型，发现其与滑枕内部的主轴的激振频率相近，有可能产生共振，降低机床加工精度。

(2)设计了一种新型直驱式的圆滑枕，并通过分析发现它的前六阶模态固有频率相对于现有的方滑枕而言大幅提高，可以很好的避免滑枕与主轴发生共振，从而更好的保障机床的加工精度。

(3)上述分析结果同时也为滑枕系统结构优化设计提供了基础数据，也为滑枕结构设计提供了方向，这也是下一步研究工作的重点。

[1] 程渤,殷国富.龙门加工中心主轴滑枕结构有限元分析技术研究[J].组合机床与自动化加工技术,2011(6):12-13.

[2] 李修平.基于ANSYS的高速加工中心有限元分析[D].武汉:华中科技大学,2005.

[3] Lin Chiwei,Jay F T,Joe Kamman.An integrated thermo-mechanical-dynamic model to characterize motorized machine tool spindles during very highspeed rotation[J].International Journal of Machine Tools&Manufacture,2003,43 :1035-1050.

[4] 吕建法,闫兵,李柏林,等.数控铣床滑枕有限元分析及试验研究[J]．机械设计与制造,2010(5):185-187.

[5] 陈水胜,徐旭,华中平,等. XK2535数控龙门铣床滑枕动态特性研究[J].湖北工业大学学报,2013,28(2):95-98.

[6] 丛 明,王贵飞,宋 健.高速立式镗铣加工中心滑枕动态特性有限元分析[J].组合机床与自动化技术,2011(6):1-4.

[7] 周大帅,伍良生,陈永波.基于模态分析的压榨机框架的优化设计[J].机械设计与制造,2009(6):186-189.

[8] 杨哲.TK6920数控铣镗床滑枕动力学分析研究[D].武汉：湖北工业大学，2013.

[9] Lim S.Finite element analysis of flexural vibrations in hard disk drive spindle systems[J].Journal of Sound and Vibration ,2000,233(4):601-616.

[10] 刘习军,贾启芬.工程振动理论与测试技术[M].第四版.北京:高等教育出版社,2004.

[11] 赵小青,黄红武,宓海清,等.基于有限元的150m/s超高速平面磨床整机建模及结构改进分析[J].机械,2005，32(2):235-236.

(编辑 李秀敏)

Dynamic Characteristics Analysis and Imprvoed Design of the Ram of CNC Planer Type Milling Machine

HU Ru-kai1,HUANG Mei-fa1,ZHANG Kui-kui1,YANG Wu-jun2

(1.School of Mechanical & Electrical Engineering, Guilin University of Electronic Technology, Guilin Guangxi 541004, China；2.Guilin Machine Tool Co.,LTD,Guilin Guangxi 541004,china)

Ram is a key and necessary part and is also the weak link of the machining precision in a CNC planer type milling machine. We adopt finite element analysis software ANSYS workbench to analyze the modal of square ram by establish the finite element model of 3D solid model. We research the undamped free vibration of the ram and solve the fronts of sixth order natural frequency and principal model. The analysis results show that the fronts of sixth order natural frequency are close to the excitation frequency of the spindle. And this could easily cause the resonance between the ram and the spindle. We designed a new type of round ram to enhance the fronts of sixth order natural frequency.

CNC planer type milling machine; square ram; modal analysis; natural frequency; round ram

1001-2265(2014)05-0043-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2014.05.011

2013-09-13；

2013-10-15

2011年广西制造系统与先进制造技术重点实验室主任课题 (桂科能11-031-12-002)；数控滑枕床身双面铣床开发(桂科攻11107002-29)

胡汝凯(1986—)，男，江西宜春人，桂林电子科技大学硕士研究生，研究方向为数控机床开发与精度设计，(E-mail)hrk1128@163.com；黄美发(1962—)男，广西人，桂林电子科技大学博士，博导，研究方向为数控机床开发及机床精度、新一代GPS理论，(E-mail)hmhmf@guet.edu.cn。

TH166;TG502.3

A