桥式龙门镗铣床横梁部件动静特性分析

王元伦，李绍萍，彭梁锋，张文坤

(沈机集团昆明机床股份有限公司,昆明650203)

桥式龙门镗铣床横梁部件动静特性分析

王元伦，李绍萍，彭梁锋，张文坤

(沈机集团昆明机床股份有限公司,昆明650203)

以提高桥式龙门机床横梁部件结构刚性，减轻横梁部件质量，满足机床高速加工要求为目的，利用Pro/E软件建立三维几何模型，通过模型简化，结合载荷等效原则建立有限元模型，分析其在工作载荷下的静态刚度和动态刚度，根据分析结果对现有横梁进行再设计。

桥式龙门镗铣床；横梁；动静特性分析

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.09.038

1 引言

数控龙门镗铣床经过多年的发展，已经成为多系列、多种类、复合型机电液一体化的技术密集型产品，适合于大中型零件多工作面的铣、钻、镗、攻丝及曲面等多工序加工，配置数控铣头后，还可对工件进行五面加工及各种复杂型面的五轴联动加工，属于高精度、高性能、高效率的重要装备。应用领域十分广泛，涉及国家军工、航空、航天、船舶、国防、铁路、重型机械、矿山机械、工程机械、能源、钢铁等行业，同时也是火电、水电等行业主要零部件加工的关键设备。

传统龙门机床一般采用工作台移动，横梁静止的设计方法，难以实现高速加工。桥式龙门镗铣床采用了横梁部件移动，而工作台静止的设计方法，这种结构适应了现代高速加工的发展趋势，避免了传统工作台移动式数控龙门机床不适合高速加工的欠缺，有效地增强了工作台的承重。横梁作为代替工作台进行运动的部件，其动静特性对机床整机的加工性能有重要影响，因而对横梁部件的结构设计提出了更高的要求[1,2]。

2 桥式龙门3D模型

数控桥式龙门镗铣床的主要结构包括用于放置工件的工作台、床身、横梁部件等，工作时，横梁沿床身纵向进给，在满足横梁动、静刚度的情况下，能够获得较高的速度和加速度。溜板在横梁上往复运动，滑枕固定在溜板上并在垂直地面的方向上作上下往复运动。

图1 桥式龙门整机图

如图1所示，该机床的各个组成部分中，横梁是至关重要的部分，除去其沿床身的纵向运动，它还支撑和带动溜板、滑枕完成各个动作，因而其设计尺寸和结构布局影响着加工过程中各个组件的运动以及加工时的稳定性和可靠性。

横梁部件结构复杂，在进行有限元分析之前先对其结构进行简化。简化原则：（1）去除螺纹连接孔；（2）去除不影响结构性能的特征，如退刀槽、接油槽等；横梁简化后模型如图2所示

图2 数控桥式龙门镗铣床横梁模型

3 横梁静态特性分析

3.1 横梁静态刚度分析

铸件材料为 HT300，弹性模量为 1.43×1011Pa，密度7200kg/m3，泊松比0.27。承载质量为1.58×104kg，横梁自身的质量为3600kg，横梁与床身之间设置为粘结约束。建立横梁有限元分析模型之后，对横梁进行静态刚度分析，其变形如图3、图4所示[3]。

图3 横梁总变形和Y向变形

图4 横梁上导轨和下导轨Y向变形

通过分析发现横梁的最大总变形为0.0423mm，Y向最大变形为0.0415mm，均发生在滑座安装位置。

3.2 横梁模态分析

机床作为一个弹性体，在工作时，有时会产生激振力，引起振动。当振动的振幅超出允许的范围时，就会使加工表面恶化，导致刀具磨损严重，影响加工精度和质量，降低生产效率。所以在研究机床的静态刚度的同时，必须还要对机床的模态进行研究[4～6]。

对横梁进行模态分析可借用静刚度分析的有限元模型[7]，其固有频率如表1所示，振型如图5所示。

表1 横梁前6阶固有频率

图5 横梁前6阶固有模态振型

4 横梁优化设计

对横梁动静特性分析发现，Y向最大变形为0.04mm，1阶固有频率为68.74Hz。然而由于此横梁部件为铸件，承载质量为1.48×104kg，横梁进给方向无法选择驱动电机，造成设计困难，因而需对其结构进行改进。结合加工制造可行性，将制造工艺改为焊接，减轻质量。优化设计后横梁材料为16Mn，弹性模量2.12×1011Pa，密度7870kg/m3，泊松比0.31，工件质量为0.98×104kg。优化后效果如图6～图9所示。

图6 优化后横梁结构图

图7 优化后横梁总变形及Y向变形图

图8 优化后横梁导轨变形图

图9 优化后横梁前6阶固有频率

通过仿真分析发现，横梁在Y向的最大变形为0.058mm，相比于优化前增加0.016mm；1阶模态为67.198Hz，相比于优化前降低22.7Hz，横梁质量为0.98×104kg，相比于优化前降低0.5× 104kg，对比见表2所示。

表2 优化前后特性对比表

5 总结

针对现有传统工作台移动式数控龙门机床不适合高速加工的欠缺，研发了横梁移动式桥式龙门。以代替工作台进行运动的横梁部件为例，利用Pro/e和ANSYS建立了其有限元模型，系统地分析了其动静刚度。分析结果显示，优化后静态变形增加了27.58%，1阶模态降低了25.24%，然而对整机结构影响不大；质量则减轻了40%，对于选择合适的驱动电机、整机结构布局有很重要的意义。

【1】陈心昭,权义鲁.现代机床实用手册[K].北京：机械工业出版社，2006.

【2】罗传林,李锻能.龙门式机床横梁的结构设计研究[J].组合机床与自动化加工技术，2006,35(3)∶45-47.

【3】凌桂龙，丁金滨，温正.ANSYS Workbench13.0从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2012.

【4】彭文，倪向阳.五坐龙门加工中心动态特性分析与振动控制[J].设计与研究，2006(2)∶61-63.

【5】徐燕申.机械动态设计[M].北京∶机械工业出版社，1992.

【6】林有希,高诚辉,高济众.大型机床动态特性的整机有限元分析[J].福州大学学报(自然科学版)，2003,31(1)∶69-72.

【7】杨康，韩涛.ANSYS在模态分析中的应用[J].组合机床与自动化加工技术，2005(10)∶84-88.

Static and Dynamic Analysis on Beam Parts of Bridge Gantry Boring and Milling Machine

WANG Yuan-lun,LI Shao-ping,PENG Liang-feng,ZHANG Wen-kun
(Kunming Machine Tool Co.Ltd.of Shenji Group,Kunming 650203,China)

The paper aims to improve the structural rigidity ofbeam parts ofbridge gantry machine,reduce its mass and meet the demand of high-speed processing of the machine.Pro/E software isused to establish a three-dimensional geometric model.By simplifying the model, finite element model is built based on the load equivalent method.The static and dynamic stiffness under working load are analyzed,and then the existing beamis optimized according to analysis results.

bridge gantry boring and milling machine;beam;static and dynamic analysis

TH122；TG659

A

1007-9467（2016）09-0090-03

2016-08-12

王元伦（1982～），男，云南宣威人，工程师，从事精密数控机床及功能附件研究。