立式数控平面刃磨床床身设计与模态分析

胡 明，童宝宏，胡三宝，王 涛，陶 霞，苏家磊

(1.安徽嘉龙锋钢刀具有限公司, 安徽 马鞍山 243000;2.安徽工业大学 机械工程学院，安徽 马鞍山 243032)

0 引言

立式数控平面刃磨床作为一种刃具磨削设备主要用于导轨制造、刀片制造、轴承制造，可满足不同的刀具磨削角度。床身作为立式数控平面刃磨床的重要组成部分，其刚度及强度对磨削刀具表面加工质量有着不可忽视的影响。

现有平面刃磨床床身在磨削加工过程中因各部件连接处间隙的存在会产生异常振动，该现象的出现对刀具表面加工质量有着较为严重的影响。焊接工艺作为一种常见的零部件连接方式，可有效地增大部件的强度和刚度[1,2],通过全焊接工艺连接床身各部件可有效地减少现有床身中的异常振动，增加现有床身的气密性和水密性[3]。此外，全焊接工艺床身经过充分振动时效处理工艺[4,5]后不仅具有足够的强度和刚性，还拥有良好的长期精度和稳定性。本文采用ANSYS Workbench对改进后的立式数控平面刃磨床床身进行模态分析[6,7]，以验证其刚度及强度。

1 立式数控平面刃磨床床身整体结构

立式数控平面刃磨床由机床床身、长矩形工作室、横向导轨、垂直导轨、冷却系统、润滑系统、电气控制系统等组成，整体结构如图1所示。

图1 立式数控平面刃磨床整体结构

床身是数控平面刃磨床的基座与载体，主要由左右两个挡板、前后两个墙板、底面封板及工作台底板焊接形成半封闭式箱型机床床身，在工作台底板和底面封板间焊有横支撑板，其结构如图2所示。

图2 立式数控平面刃磨床床身结构示意图

2 立式数控平面刃磨床床身有限元模型建立

在Inventor 2018中建立床身结构模型，外形尺寸为3 080 mm×700 mm×592 mm。此外，为提高网格质量及节省计算时间，简化几何模型中对数值计算结果几乎无影响的螺孔、倒角、圆角等微小特征结构，床身简化模型如图3所示。将简化后的床身几何模型导入有限元分析软件ANSYS 19.0中，在床身底面螺孔处施加固定约束，设置实际工作时与工件直接接触的两个工作台支撑座底座的网格尺寸为1 mm，其他非直接接触结构件的网格尺寸为20 mm，得到的床身有限元模型如图4所示，节点数为2 813 128、单元数为647 842。床身材料为灰铸铁HT300，其密度为7 300 kg/m3、弹性模量为140 GPa、泊松比为0.27。

图3 床身简化模型 图4 床身有限元模型

3 立式数控平面刃磨床床身模态分析

模态分析得到的立式数控平面刃磨床床身前6阶模态振型如图5所示，各阶约束模态频率如表1所示。

表1 床身前6阶约束模态频率

由图5可看出：1阶振型主要表现为床身两侧的V形斜板沿Z轴弯曲；2阶振型主要表现为床身两侧的V形斜板沿Z轴扭曲；3阶振型主要表现为床身两侧的V形斜板沿Y轴弯曲；4阶振型主要表现为床身两侧的V形斜板沿Y轴扭曲；5阶振型主要表现为床身两侧的V形斜板沿X轴弯曲；6阶振型主要表现为床身两侧的V形斜板沿X轴扭曲。通过床身结构的振型以及频率可知主要是床身两侧V形斜板出现振动，产生不同程度的变形，频率最大值为16.705 7 Hz。

图5 床身前6阶模态振型

立式数控平面刃磨床电机转速为1 440 r/min，极对数为3，通过计算得到频率为72 Hz。该频率远离床身1阶～6阶频率区，即不会与床身结构发生共振。结合床身低阶固有频率的变化趋势可知，床身振型不会突变，则床身的频率变化平滑，动态特性良好。

4 结语

本文在现有立式数控平面刃磨床的基础上对机床床身进行改进设计，对机床床身采用全焊接和振动时效处理工艺。采用ANSYS Workbench对改进后床身进行模态分析，验证了改进后机床床身具有良好的刚性及动态特性。