数控车床床身结构的有限元分析与优化研究

高辉东

摘 要： 数控车床为生产过程中所应用的主要设备之一，车床的车身结构是否合理，是决定其性能优劣的主要因素。本文以ck6140数控车床为例，采用有限元分析法，從软件的选择、模型的建立以及网格划分等方面，对床身的结构特征进行了分析。基于此，重点阐述了床身高度以及主轴箱支撑台筋板的优化方案。通过对优化效果的观察，证实了各方案的应用价值。

关键词： 数控车床；床身结构；有限元分析；优化方案

前言：随着机械化以及信息化水平的不断提升，数控车床逐渐被应用到了生产过程中，且对自动化生产效率的提高，起到了极大的推动作用。数控机床床身，均由不同的板块构成。根据各板块厚度、机械刚度以及振型的不同，车身的结构及车床的性能，同样存在一定的差异。为提高床身的稳定性、提高机械化生产效率，对数控车床床身结构进行分析与优化较为重要。

1 数控车床概况

ck6140数控车床为新型的数控车床，在零件生产领域，应用范围较广。车床参数具体如下：中心高：205mm；最大回转直径：400mm；刀架最大回转行程：280；转速为50HZ；刀杆截面尺寸为20mmx20mm；纵向进给量为0.04mm--2.16mm；电机4.5kw；中心距750mm。

为提高数控车床床身结构的稳定性、提高机床运行效率，本课题决定采用有限元分析方法，对床身结构中存在的问题进行分析，以优化机床的性能。

2 数控车床床身结构有限元软件的选择及模型的建立

数控车床床身结构有限元模型软件的选择及有限元模型的建立方法如下：

2.1 有限元模型软件的选择

本课题所应用的有限元分析软件，包括ANSYS Workbench软件，以及Solid Works软件两种。ANSYS Workbench软件的优势在于仿真平台的性能较强。将其应用到数控车床床身结构的设计中，对结构参数分析准确度的提高，具有重要的意义。Solid Works软件为三维机械设计软件的一种，与CAD相同，在机械设计过程中，应用均较为广泛[1]。采用该软件对数控车床床身结构进行分析，有助于从不同的角度出发，找出床身结构在参数方面存在的误差。进而以分析结果为参考，对床身结构加以优化[2]。

2.2 有限元模型的建立

本课题在采集床身参数的基础上，将边界条件以及静力分析等方法，共同应用到分析过程中。在不对模型施加任何荷载的同时，建立了关于机床床身结构的有限元模型。本课题所选的数控机床，床身材料以“灰铸钢”为主。该类型钢材的参数如下：（1）弹性模量：110GPa。（2）密度：7250kg/m3、（3）泊松比：0.22。借助ANSYS Workbench软件对上述数据进行计算后发现，本机床的设计转速，最大为3000r/min。因此，共振的问题一般不会发生。

3 数控车床床身结构的优化方案

为发现并解决数控车床在床身结构方面存在的问题，本课题采用以下方法，对其床身结构存在的问题进行了分析，并对其进行了优化：

3.1 网格划分及优化计算方法

为进一步了解数控车床床身结构的特征，本课在划分有限元网格的基础上，计算出了床身的模态频率。得到结果如下：（1）一阶：模态频率为218.04Hz。（2）二阶：模态频率为290.01Hz。（3）三阶：模态频率为315.17Hz。（4）四阶：360.74Hz。（5）五阶：415.59Hz。（6）六阶：438.71Hz。上述频率中，一阶代表床身的摆动情况。二阶代表床身的扭转振动情况。三阶代表床身的振幅。通过对不同模态频率的观察发现，本课题所选的数控机床，在结构方面存在着以下问题：（1）通过对床身长度、宽度与高度的观察发现，本课题所选数控机床，床身存在着高度异常的问题。如未解决，容易导致扭转以及弯曲振动问题发生，继而导致机床出现故障。（2）主轴箱支撑位置，振幅相对较大。机床运行过程中，该部分极容易因振动，而对加工精度以及生产质量造成影响。因此，应将其作为重点，对机床床身的结构加以优化。

3.2 床身高度的优化

机床的床身，会随着机床的运行而作出摆动的动作。假设本车床的床身高度为H，为保证机床能够正常运行，保证机床的动态性能无异常，H的取值范围，应处于575--750mm之间。在机床床身宽度等其他参数不变的情况下，随着机床高度的不同，六阶的模态频率，同样会有所变化。当机床高度为725mm时，各阶频率均会出现明显的变动。导致该现象出现的原因，可能与床身与其他结构的耦合作用有关。参考计算结果，本课题决定采用725mm，作为床身的设计高度，对数控机床的床身进行设计。

3.3 主轴箱支撑台筋板的优化

主轴箱的动态以及静态性能，是影响机床生产精度的主要因素。而支撑台筋板的厚度以及形式，则是影响主轴箱性能的关键。通常情况下，数控机床的支撑台，厚度多为30mm，侧壁厚度，一般为25mm，而元结构的厚度，则一般为18mm。从静力分析的角度看，当床身的重力加速度为9.8m/s2、箱体的重力为2380N、切向切削力为2000N时，根据支撑台形式的不同，变形量通常有所不同。采用对角交叉的形式设计支撑台，并在此基础上，加入两个十字交叉的筋板，可有效增强主轴箱的抗变形能力，进而达到提高机床床身稳定性的目的。

结论：

综上所述，本课题通过有限元分析发现，数控机床床身结构存在的问题，主要体现在床身高度不合理，以及主轴箱支撑台筋板设计形式不合理两方面。将高度调整至725mm，并调整了筋板形式后。通过对机床运行效果的观察发现，床身的性能得到了有效的改善。有关领域可以以本课题的研究思路为参考，对数控机床的床身结构进行优化，以达到降低生产及设计成本，提高机床生产效率的目的。

参考文献

[1]纪海峰.基于ABAQUS的数控车床床身有限元分析及结构优化设计[J].机械设计与制造工程，2016，45（04）：20-23.

[2]黄志伟，王德洋，靳岚.卧式数控车床床身结构的静动态特性对比分析[J].机械制造，2014，52（11）：47-50.