机床床身模态分析及结构改进

魏子尧昃向博吕守堂公培强鲍红生邓 涛

（1.济南大学 机械工程学院，济南 250022；2.济南第一机床有限公司，济南 250000）

机床床身模态分析及结构改进

魏子尧1昃向博1吕守堂2公培强2鲍红生2邓 涛1

（1.济南大学 机械工程学院，济南 250022；2.济南第一机床有限公司，济南 250000）

本文针对MJ-520MC/Y斜床身数控车铣复合加工中心，首先三维实体建模斜床身；其次，计算斜床身载荷参数，运用有限元软件ANSYSWorkbench14.0进行模态分析，得出斜床身前六阶的固有频率和振型，根据模态分析结果优化改进；最后，再次模态分析优化后结构，并进行对比，前三阶的固有频率分别提高15.61%、14.63%和16.07%，有效提高机床稳定性，提高对工件的加工精度，为下一步斜床身车铣复合加工中心的改进设计打下基础。

机床床身 固有频率 模态分析 振型

引言

车铣复合加工中心是把车削和铣削工艺整合，在一台机床上实现对工件的车削和铣削加工，这种整合比分别车削和铣削的加工精度更高[1-3]。斜床身动态性能直接影响机床整机性能，特别是对机床整机的抗振性能、加工精度等影响较大。分析斜床身结构的固有频率和振型，可为斜床身设计改进提供依据，避免因共振造成的经济损失。对机床床身动态性能研究的方法应用最多的是模态分析法。通过模态分析结果，判断振型对加工精度的影响，优化改进斜床身，达到机床对加工质量和加工精度的使用要求。将低阶固有频率作为动态分析改进设计的优化目标，提高床身固有频率，有效提高机床稳定性，提高对工件的加工精度，为下一步斜床身车铣复合加工中心的改进设计打下基础[4]。

1 机床床身有限元模型的建立

MJ-520MC/Y配置卧式回轮动力型刀架，机床Y轴进给采用虚拟Y轴结构进行平面铣削作业[5]，整机三维模型如图1所示。

图1 车铣复合加工中心整机三维模型

1.1 模型简化

斜床身结构复杂，难以完全按照实物建立有限元模型。在有限元网格划分前需简化斜床身。简化的原则是：（1）在CAD建模时力求精确，真实地模拟结构的静动态特性；（2）直线化和平面化处理CAD模型中的小锥度、小曲面[6]。

根据以上原则简化斜床身的模型：删除导轨上的所有螺纹孔。车铣复合加工中心整机模型如图1所示，简化后斜床身（如图2所示）结构的力学特性未发生改变，但为后续高效分析计算提供帮助。

图2 斜床身虚拟样机模型

1.2 定义单元属性与网格划分

1.2.1 定义单元属性

由于斜床身结构复杂，是不规则的几何体，所以选用四面体单元模拟真实结构，经考虑，选择SOLID187四面体单元[7]。

1.2.2 网格划分

在网格划分时，需遵循以下几点原则：（1）模型结构和实际结构尽可能相同；（2）根据计算精度和计算规模来选择合适的单元大小；（3）单元体应尽量匀称齐整。

2 模态分析

2.1 斜床身的材料特性

斜床身材料为灰铸铁，具体的材料参数见表1。

表1 斜床身材料特性

2.2 载荷施加

对于包含预应力效应的模态分析，其固有频率分析结果比不包含预应力时大，更符合实际情况。所以本文采用包含预应力效应的模态分析，对受力情况转化计算。

由于牵扯零件众多，篇幅有限，其分析过程不做介绍，其受力结果直接给出。机床接触构件示意图如图3所示。

图3 机床接触构件示意图

假定刀架、主轴箱、尾座等部件的材料都为普通碳钢，将车床模型导入SolideWorks中，得出它们的质量分别为650kg、470kg、240kg。那么，它们对斜床身的作用力即为各自的重力G1、G2、G3，分别是6500kg、4700kg、2400kg。这三个力分别施加在它们各自的支撑处。斜床身受到的外力经过计算，分别是G1为6500N，G2为4700N，G3为2400N，M1为400N·m，M2为613N·m，M3为613N·m[8]。

2.3 有限元分析及结果讨论

通过自由划分网格和扫掠的方法将模型划分，划分网格的有限元模型如图4所示。

图4 斜床身的有限元模型

对斜床身施加约束条件，斜床身是由底面11个螺栓固定在底座上，分别对床身的11个节点施加x、y、z三个方向的完全约束[9]。

机床工作时，只有少数低阶模态起主要作用，所以只分析前六阶模态，通过ANSYS Workbench分析求解，分析得到固有频率和振型，通过模态分析可分析得到各阶模态振型（见表2）和振型图（如图5～图10所示）。

表2 斜床身前六阶固有频率及振型描述

图5 床身第一阶振型

图6 床身第二阶振型

图7 床身第三阶振型

图8 床身第四阶振型

图9 床身第五阶振型

图10 床身第六阶振型

3 结果分析与结构改进

分析斜床身振型可知，前六阶振型中，其上导轨变形量较大，两侧变形量较小；分析固有频率可知，前六阶固有频率较低，因此单位刚度较低，稳定性较差。为提高固有频率，改进其结构尺寸、上导轨和底座厚度。但为保证其加工范围要求，斜床身主要结构尺寸不变，因此只改进上导轨和底座厚度。具体改进措施为：（1）增加上导轨厚度。改善上导轨结构受力，提高稳定性，保证加工精度；（2）增加底座厚度。增加底座稳定性，减小变形量，增加斜床身稳定性。

改进后底座结构加工工艺难度与改进前相比相差较小。上导轨承担托板的垂直方向和水平方向载荷，改善了导轨受力状态，更适合精密元件加工。改进后的斜床身模型如图11所示。对改进后斜床身模型进行模态分析，通过模态分析可分析得到各阶模态振型（见表3）和振型图（如图12～图17所示）。

图11 改进后的斜床身模型

表3 斜床身前六阶固有频率及振型描述

图12 床身第一阶振型

图13 床身第二阶振型

图14 床身第三阶振型

图15 床身第四阶振型

图16 床身第五阶振型

图17 床身第六阶振型

对比改进前后振型得，改进后床身变形量变小；对比改进前后固有频率(详细见表4)得，固有频率得到提高，斜床身结构刚度得到改善，稳定性和加工精度得到提高。

表4 改进前后固有频率对比

4 结语

（1）利用ANSYS Workbench有限元软件对斜床身进行模态分析，分析得到各阶模态振型图和斜床身变形特点，确定影响机床动态特性的主要因素为上导轨和底座。

（2）优化改进斜床身的上导轨和底座，与原结构相比，加工工艺难度相差较小，改善了上导轨的受力状态，机床稳定性和加工精度得到提高。

（3）对比改进前后斜床身模态分析结果，前三阶固有频率改进后分别提高6.10%、5.02%和5.43%，斜床身结构刚度得到改善，稳定性和加工精度得到提高，为下一步斜床身车铣复合加工中心的改进设计打下基础。

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[4]王腾，万熠，梁西昌，等.基于模态分析的机床床身优化设计[J].工具技术，2015，（2）：40-43．

[5]李军，孙建刚，罗德军.采用虚拟“Y”轴车铣复合加工中心[J].制造技术与机床，2007，（4）：60-62.

[6]何成浩.数控车床床身结构的有限元分析与优化研究[D].昆明：昆明理工大学，2013.

[7]杨永亮.基于有限元的车床斜床身结构优化[D].大连：大连理工大学机械工程学院，2006.

[8]魏子尧.车铣复合加工中心斜床身应力应变分析[J].现代制造技术与装备，2016，10：28-31.

[9]王建军，李文祥，杨红军，等.基于插补Y轴的车铣复合加工中心总体结构布局设计及性能分析[J].机械工程师，2014，（10）：202-203.

Modal Analysis and Structure Improvement of Machine Tool Bed

WEI Ziyao1, ZE Xiangbo1, LV Shoutang2, GONG Peiqiang2, BAO Hongsheng2, DENG tao1
(1.School of Mechanical Engineering, University of Jinan, Jinan 250022; 2.Jinan First Machine Tool Co., Ltd., Jinan 250022)

Turning and Milling Machining Center is the turning and milling process integration, in a machine tool to achieve the workpiece turning and milling, the integration ratio of turning and milling, respectively, higher precision machining. In this paper, the MJ-520MC/Y slant bed CNC turning milling machining center, the first slant bed for three-dimensional solid modeling. Secondly, the load parameters of slant bed are calculated, and the modal analysis of slant bed is carried out by ANSYSWorkbench14.0. The natural frequencies and modes of the first six slopes are obtained. According to the modal analysis results, the natural frequencies of the first three orders are improved by 15.61%, 14.63% and 16.07% respectively, which can effectively improve the stability of the machine tool and improve the machining accuracy of the workpiece and improve the precision of the machine tool. Finally, which will lay a solid foundation for the next step of the lathe bed turning milling compound machining center.

machine tool bed, natural frequency, modal analysis, vibration mode

山东省自主创新及成果转化专项“高速精密车铣复合虚拟轴加工工艺与装备开发”。