数控改造机床床身有限元分析及结构优化设计

辽宁装备制造职业技术学院，辽宁 沈阳 110161

在机床的机械结构中，床身是重要的大型承载部件，起着支承机床其余零部件的作用[1]。它的静动态性能的优劣关乎机床整体的综合性能，尤其对机床的加工精度、抗振性能等影响较大[2]。在经济型数控机床改造中，为了降低改造成本，都会保留原有普通机床的床身，选择C6140数控改造机床的床身作为分析对象，并应用ANSYS Workbench软件对C6140床身进行固有频率、振型分析。另外，对床身整体结构进行重新改造设计，能保证数控改造机床的运动平稳性，优化切削加工性。

1 有限元建模关键技术

1.1 模型建立与网格划分

采用UG NX8.0软件对C6140床身创建三维模型。对C6140车床床身进行必要的结构简化，简化后的床身模型如图1所示。

图1 机床床身简化模型

运用UG NX8.0软件进行机床床身几何建模后，导入ANSYS Workbench中进行网格划分。采用网格尺寸控制方法，设置零件网格尺寸为30mm，划分后网格共有128284个节点、69677个单元。C6140床身划分网格后的有限元模型如图2所示。

图2 划分网格后的床身模型（单位：mm）

1.2 载荷与边界条件

C6140车床床身材料选用HT200，材料属性如下：杨氏模量为200GPa，泊松比为0.3，密度为7850kg/m3。对C6140车床床腿的2个底表面施加固定约束，以限制其自由度。

2 床身模态特征

依据建立的床身模型，应用ANSYS Workbench软件里的Block Lanczos方法做模态分析，得到床身的前六阶固有频率及振型，如图3所示。

图3 床身前六阶振型

有限元模态分析所得的前六阶固有频率如表1所示。系统的第一阶振型为床身在Z方向的摆动，第二阶与第三阶振型为床身在Z方向的扭转，第四阶振型表现为床身在Y方向的摆动，第五阶振型为床身在X方向的摆动，第六阶振型为床身导轨沿着X方向的弯曲。

表1 横向进给系统前六阶固有频率 单位：Hz

3 车床主轴箱内振源

由于主轴箱中传动零件如齿轮、轴承等在制造及装配过程中可能有实施不理想的地方，及C6140车床改造使用年限较长具有一定磨损，从而使主轴箱在加工过程中出现振动。主轴箱的齿轮在啮合传递运动和动力时，会产生啮合频率的振动。主轴箱安装在床身上，其振动会传递到床身上，是床身振动的根源之一[3]。选择车床主轴箱回转频率及啮合频率进行分析，观察是否与床身固有频率一致，避免共振现象发生。计算时选择主轴200r/min时为研究对象，依据主轴回转频率计算公式得到回转频率，根据齿轮啮合频率公式计算出主轴回转频率和齿轮啮合频率，如表2所示。

表2 C6140主轴回转频率和齿轮啮合频率 单位：Hz

主轴回转频率计算公式为

齿轮啮合频率公式为

由表2可知，回转频率数据为3.33～19Hz，远低于床身的固有频率，表明主轴回转的振动频率不会与床身产生共振；而主轴箱齿轮的啮合振动频率数据为193.3～760Hz。通过分析发现Ⅱ传动轴的齿数为38的齿轮，其啮合振动频率730Hz与四阶固有频率734.66Hz十分相近。虽然局部振动不是影响机床床身性能的唯一因素，但也对机床加工中噪声与运动平稳有一定的不利作用[4]。

4 改进床身设计及模态

由图3可知，床身床头箱部位的第二、三、四阶振型主要表现为局部振型，第一、五、六阶振型为机床的主要振型，机床侧面及导轨部位发生弯曲扭转振动。通过分析可知，床身的四周刚度相对比较薄弱，因此可对床身的整体结构进行改进，从而提高机床床身的局部刚度。原C6140车床床身的结构有待进一步的设计改进。通常可以用增加加强肋、改进床身形状及封闭床身结构等方法，提高机床床身的抗振性。在以后的车床改造中，可以将原床身中间四方形整体式结构改成八边形结构及采取在床头箱与床身连接处增加过度圆角等措施，提高床身刚度。机床床身改进模型如图4所示。

图4 机床床身改进模型

为分析新结构床身的动态特性，进行了有限元分析计算，其网格划分、材料属性及约束条件都与原床身一致，故不再进行阐述[5]。根据建立的床身改进有限元模型，采用ANSYS Workbench中Block Lanczos进行模态分析，获得前六阶固有频率和模态振型，如图5所示。

图5 机床改进床身前六阶振型

有限元模态分析所得的前六阶固有频率如表3所示。第一阶振型为局部沿Y轴摆动，第二阶振型为局部沿Y轴摆动，第三阶振型为绕Z轴扭转，第四阶振型为局部沿Z轴摆动，第五阶振型为沿Z轴扭转，第六阶振型为局部沿Z轴摆动。

表3 改进后床身前六阶固有频率 单位：Hz

将原机床床身与新结构机床床身的模态分析振型及固有频率进行对比，由此看出，新结构机床结构能避开机床主轴箱齿轮的啮合振动频率，减小因主传动系统运动的齿轮啮合振动导致的变形，有效保障机床切削过程的平稳性及工件加工精度。

5 结束语

文章通过对数控改造床身的三维实体模型设计，利用ANYSY Workbench软件对床身进行模态分析，得到了床身的固有频率及振型。通过分析经济型数控改造机床回转频率与固有频率，能找到影响机床局部振动的原因及解决方案，从而进一步提高经济型数控改造机床的加工精度。同时还能对机床床身进行结构优化设计，将床身改造为八边形孔结构。分析新型八边形孔结构的床身固有频率及振型可知，新八边形孔结构的床身能有效避开主轴箱啮合频率，提高机床整体的抗振性能，从而保证数控改造机床的切削加工平稳性，为后续机床企业在床身改造设计中的研究与应用提供重要的参考依据。