基于ANSYS的门窗材专用四面刨床身设计∗

孟庆军 姜博文 胡万明

（东北林业大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

随着我国城镇化步伐的加快与居民收入的持续增长，房地产业欣欣向荣，大量商品房的建设为现代门窗行业提供了巨大的发展空间[1-2]。当前我国门窗材加工方式正在向大规模自动化生产的时代迈进，相比于欧美等发达国家，虽然我国木工机械行业起步较晚，但在规模上不断扩大，技术上推陈出新，正在逐步缩小与发达国家之间的差距[3-5]。为提高木材的加工利用率和加工效率，降低工人的劳动强度，研发设计一台专用于门窗材加工的四面刨具有重要意义[6-8]。四面刨的床身作为各工作部件的装配基础，床身结构直接决定了设备的重量以及运行的稳定性，进而决定了门窗材的加工质量。因此，本文对四面刨床身进行设计和优化研究。

1 门窗材专用四面刨整机机构设计

通过对国内外研究现状进行总结，结合四面刨床加工门窗材工艺分析[9-12]，本研究首先对门窗材四面刨的整机结构进行设计。如图1 所示，整机主要由前进料台组件、床身、第一下刨刀轴组件、右刨刀轴组件、铣形主轴一组件、铣形主轴二组件、上刨刀轴组件、第二下刨刀轴组件、进料系统组件等组成。

图1 门窗材专用四面刨总体结构图Fig.1 Overall structure of the special four-sided planer of door and window material

在四面刨工作过程中，前进料工作台通过四杆机构与床身连接，目的是使进料工作台面始终保持水平，前进料工作台可短距离上下升降，工作台面与下刨刀轴的切削圆之间的距离即为下刨刀轴的切削量，升降机构通过丝杠螺母手动调整，各刀轴组件均由三相异步电动机通过平皮带传动带动刀轴旋转进行切削加工。此外，铣型主轴一组件和铣型主轴二组件可独立进行横向进给和垂直升降换刀，垂直升降换刀机构由一台2.0 kW的伺服电机通过蜗轮蜗杆减速器驱动丝杠螺母机构以实现垂直升降换刀。上刨刀组件由一台0.75 kW的三相异步电动机通过蜗轮蜗杆减速器驱动丝杠螺母机构实现上刨刀轴的高度调整。进料驱动组件包括上压辊和下压辊两部分，由一台11 kW的Y160M1-2 型三相异步电机驱动，动力通过V带传递到减速器，再经万向联轴器将动力传送到压辊。送料系统的横梁可整体升降，升降机构由升降电机通过蜗轮蜗杆减速器和丝杠螺母机构实现升降，其主要作用是在检修或工件厚度差异较大时调整压辊和上刨刀轴的高度。上压辊组件每个压辊前端还装有摆动机构和小型调整气缸，以适应工件厚度变化较小时实现工件的压紧。

2 床身组件结构设计

床身是四面刨运行的基础，也是四面刨各工作部件的装配基础，床身的设计直接决定了设备运行的稳定性。在床身设计时考虑机床的总体尺寸，以节省安装面积为前提[13-15]。床身内部的空间应当在铸造工艺允许范围内尽可能扩大空腔体积，以安装机床的变速机构、润滑机构、电器元件、排屑装置等。目前市场上四面刨床身分为两种，即铸造床身和焊接床身。本文所设计的门窗材专用四面刨由于铣型主轴进给要求，无法将床身结构进行整体铸造，故而将床身拆分为前后两部分分开铸造，铸造后再统一安装在槽钢底座上进行定位和调整。四面刨床身结构如图2 所示。

图2 床身结构示意图Fig.2 Schematic diagram of the bed structure

床身是整个门窗材专用四面刨的基础，各主轴与工作台面的平行度和垂直度均需依靠床身的加工精度来保证[16]。按照加工工艺要求，首先应加工床身的下安装面，然后以此为基准再加工其他的安装面。在加工铸造床身时首先在龙门铣床上进行粗加工，留出一定的加工余量，粗加工后，床身会产生一定的变形，需要经过时效处理后再进行后续的精加工。

床身结构在焊接时会因受热不均产生内应力和变形，因此需在焊接过程中以及焊接后检查变形量，如果超过允许最大变形量，则应进行校正，以防止发生由于变形而产生的加工量不均，甚至加工量不足的情况。

3 专用四面刨床身有限元分析

3.1 四面刨床身静力学分析

床身是整台机器的工作基础和支撑单元，床身的结构性能直接影响到木门窗材专用四面刨的加工性能。其装配有机床的各个主轴和进给系统，并承受工作载荷，床身产生较大的变形或振动将直接影响其他零部件的安装和刀轴加工的精度，检验床身的强度和刚度对于床身设计非常重要。

为验证床身强度，对其进行有限元分析的前处理后，施加载荷和约束，并进行Solve求解计算，提取床身的应力和变形云图如图3 和图4 所示。

图3 床身的应力云图Fig.3 Stress cloud diagram of the bed structure

如图3 所示，床身结构所受最大应力出现在铸造床身与槽钢底座安装梁处，此外较大应力分布较多的区域还有进料系统安装座的筋板附近和槽钢底座上，主要是由于进料系统结构的重力较大，考虑到受力的合理性在导柱座下方增加了筋板。由图可知，床身结构的最大应力值为46.568 MPa，材料强度安全系数值选定为[S]，槽钢的屈服强度为σb=235 MPa，则许用应力值如下[17-18]：

由计算公式（1）可得床身槽钢结构的许用应力值为[σ]=117.5 MPa，床身所受最大应力值小于材料的许用应力值[σ]，因此床身的强度满足要求，结构设计合理。

图4 床身的变形云图Fig.4 Strain cloud diagram of the bed structure

从图4 可以看出，床身最大变形处发生在床身进料系统升降横梁安装座的位置，最大变形量为0.281 14 mm。这是由于进料系统整体重力较大，且升降导柱套筒采用悬臂形式，因此易产生变形，但从变形数据结果来看，床身结构的变形量未超过GB 12557—2010《木工机床 安全通则》中规定的机床变形量要求，完全符合设计和使用精度的要求。

综合上述力和变形云图的分析可知，床身的结构和强度能保证门窗的加工精度，满足实际设计与生产要求。

3.2 四面刨床身模态分析

通过在workbench中建立模态分析Modal模块，并将前文的静力学分析的载荷及结果施加在模态分析中，在床身受到预应力的情况下求解其模态振型，获得其六阶振型的固有频率值如图5所示。床身的模态振型云图如图6所示。

图5 床身结构的模态振型固有频率Fig.5 Natural frequencies of vibration modes of the bed structure

由图5 可知，床身结构的模态振型频率范围为98.1～230.77 Hz，为更直观地了解每一模态振型所对应的共振阶数、振动方向以及变形位置，床身的振动和变形统计结果如表1 所示。六阶振型中前三阶所对应的固有频率为床身在不同方向上所产生的一阶共振，后三阶所对应的固有频率为床身在不同方向上所产生的二阶共振。

由于主轴的最大转速为n=6 800 r/min，根据振源频率公式f=n/60 可求得机床最大振源频率为113.33 Hz。而通过上述对床身结构的模态分析可知，床身产生一阶共振的最小频率为98.1 Hz，床身的振源频率大于模态固有频率，表明在门窗加工过程中，床身结构可能会发生共振现象，因此应对床身的中间面板安装梁处重新进行改进设计。

表1 床身结构前六阶振动和变形Tab.1 First six vibration and deformation of the bed structure

图6 四面刨床身模态振型云图Fig.6 Cloud diagram of vibration modes of the fourside planer bed

4 床身结构改进

通过上述有限元仿真分析可知，床身的强度和变形均在合理的范围之内，但是上述模态分析表明，其有存在共振的可能。因此有必要对床身进行结构改进优化。由于床身可能发生共振的点主要在中间面板安装梁处，因此主要对其进行结构优化，该处由型材焊接加工而成，对此可以通过改变型材的截面尺寸进行床身参数优化或加筋板进行加固。根据GB/T 706—2016《热轧型钢》中列出的型材规格要求[23-25]，选取规格更大的型材（12.6#槽钢）作为方案一，对中间面板安装梁加筋板作为方案二，分别对两种改进方案和原模型进行有限元对比分析，得出相应的应力、变形和一阶固有频率最小值，见表2。

表2 床身结构优化后静力学分析对比Tab.2 Comparison of statics analysis after bed structure optimization

通过原模型与方案一、方案二的分析结果对比可知，相比于原模型结构，两种改进方案对床身的最大应力和最大变形影响不大，而对于一阶固有频率，方案二的改进效果远远高于方案一。因此最终选定方案二作为优化改进方案，即对床身的中间面板安装梁加筋板以避免产生共振。将改进后的机床床身振动和变形情况进行归纳，见表3，模态振型云图如图7 所示，床身一阶固有频率为132.7 Hz，大于振源频率113.33 Hz，满足设计要求。

表3 改进后床身振动和变形归纳表Tab.3 Summary of vibration and deformation of the improved bed structure

图7 四面刨床身模态振型云图Fig.7 Cloud diagram of vibration modes of the fourside planer bed

5 结语

本文基于四面刨加工门窗材工艺，对门窗材专用四面刨进行结构布局和整体结构设计。利用ANSYS软件对其床身结构进行有限元分析，得到相应的应力云图、应变云图以及变形云图，分析表明：设计的门窗材专用四面刨的床身刚度、强度均符合设计及使用要求；进一步对床身结构进行模态分析，得到床身结构的前六阶振型云图，对其对应的振动阶数、振动方向和最大变形位置及其最小的一阶固有频率与振源频率分析表明，机床在加工过程中可能会发生共振现象，鉴于此，对床身进行了进一步的结构优化，使固有频率达到加工要求，整机运行的稳定性增强。