高速立式镗铣加工中心滑枕动态特性有限元分析*

丛 明，王贵飞，宋 健

(大连理工大学机械工程学院，辽宁大连 116023)

高速立式镗铣加工中心滑枕动态特性有限元分析*

丛 明，王贵飞，宋 健

(大连理工大学机械工程学院，辽宁大连 116023)

以高速立式镗铣加工中心滑枕为研究对象，针对其结构特点，建立了滑枕、滑块和丝杠组合体的有限元模型。考虑到滑枕与滑块和丝杠的联接方式和运动形式等因素，采用ANSYSWorkbench中的No Separation接触类型单元仿真接触面。对滑枕进行模态和谐响应分析，得出了1至6阶固有频率和相应振型以及滑枕结构9个关键点的位移频率曲线。分析结果表明，滑枕的薄弱环节在其与丝杠接触的部位，切削力频率与滑枕五六阶固有频率接近时，滑枕容易发生共振。据此提出了针对性的改进意见，为滑枕的优化设计提供了重要依据。

加工中心;滑枕;动态特性;有限元

0 引言

滑枕连接着主轴箱和横梁，是高速立式镗铣加工中心的关键部件，其动态性能直接影响整个加工中心的加工精度、精度稳定性和抗振性。在加工中心工作过程中，如果切削力频率恰好和滑枕某一固有频率同步的话，滑枕可能会产生共振，进而影响切削运动的稳定性［1］。因此有必要采用有限元方法研究滑枕的动态特性，为滑枕的优化设计提供依据。

本文建立了滑枕、滑块和丝杠组合体的有限元模型。根据滑枕在加工中心工作过程中的运动形式对其进行合理的约束。由于切削力作用在刀具上，通过主轴箱传递到滑枕上，所以有必要系统分析高速立式镗铣加工中心力和扭矩的传递过程，从而得到滑枕上的载荷情况。将约束和载荷作为模态分析和谐响应分析的边界条件，最后进行模态和谐响应分析，系统分析了滑枕的动态特性。

1 滑枕结构特点

高速立式镗铣加工中心采用龙门式结构，主要由床身、横梁、滑枕、主轴箱等部件组成，其结构模型如图1所示。在工件加工过程中，工作台不动，主轴箱沿着滑枕运动实现主轴Y方向的运动，滑枕沿着横梁运动实现主轴X方向的运动，横梁沿着床身运动实现主轴Z方向的运动。滑枕是关键的连接部件，起到连接主轴箱和横梁的作用。在加工中心工作过程中，滑枕不仅要承受自身和主轴箱的重量，还应具有良好的动态特性以实现快速平稳运动满足加工中心高速的特点，这对滑枕的结构提出了较高的要求。

图1 高速立式加工中心

图2为滑枕、主轴箱和横梁的装配示意图，滑枕与主轴箱、滑枕与横梁均通过导轨滑块以及丝杠配合连接。主轴箱上安装两根导轨并与滑枕上的滑块配合，丝杠1驱动主轴箱沿着滑枕Y方向运动。同样横梁上也安装两根导轨并与滑枕上的滑块配合，丝杠2驱动滑枕可沿着横梁X方向运动。滑枕的结构特点是其上安装有多个滑块，与主轴箱配合的滑块分布在同一个平面，而与横梁配合的滑块则分布在两个互相垂直的平面。这样的结构可使滑枕能够承受较大的载荷，且运动速度快并具有较好的运动稳定性。

图2 滑枕、主轴箱、横梁装配示意图

2 滑枕有限元模型建立

由于在滑枕有限元分析过程中，引入了滑块和丝杠，所以需要对滑枕、滑块、丝杠组合体进行建模。滑枕结构比较复杂，在建模过程中必须进行简化，去除非重要分析部位的小尺寸倒角、圆角以及螺纹孔等特征。通过合理的简化，既提高了工作效率，又保证了分析结果的准确性。得到的有限元模型如图3所示，其中滑块1～4与主轴箱上的导轨配合，滑块5～8与横梁上的导轨配合。

图3 滑枕、滑块、丝杠组合体模型

滑枕的整体结构由精密铸造加工而成，其材料为灰口铸铁HT300(极限应力为250Mpa)。滑块和丝杠的材料均为轴承钢，弹性模量:210GPa，密度:7.82e+3kg/m3。

3 滑枕有限元边界条件设置

3.1 滑枕约束条件

在滑枕有限元分析过程中，如果只单独分析滑枕而不引入滑块和丝杠，在滑枕与丝杠接触部位(如图3所示)会产生较大的弯矩值，分析结果是不可靠的，而引入滑块和丝杠之后才能获得比较准确的分析结果［2］，所以将滑枕、滑块和丝杠作为一个组合体进行有限元分析。滑枕与滑块，滑枕与丝杠都是通过螺栓联接固定，所以采用ANSYSWorkbench中的No Separation接触类型单元仿真接触面［3］;这样既保证了分析结果的可靠性，又极大的简化了分析过程。

滑块5～8与横梁上的导轨配合，且只能沿X方向运动，所以采用位移约束方式约束这四个滑块在Y和Z方向的自由度;由于丝杠只能做旋转运动，而且两端由轴承定位连接，所以丝杠两端采用固定约束方式。

3.2 滑枕载荷分析

为了准确的获得滑枕载荷情况，需对高速立式镗铣加工中心的力和扭矩传递过程进行系统的分析，求出滑枕的具体受力。切削力的传递过程为:刀具→主轴箱→滑枕→横梁→床身。

从切削力的传递过程可以看出，在求得滑枕载荷情况之前需要先对主轴箱进行分析。在主轴箱刀具位置施加正常工况下的切削力，约束主轴箱导轨与滑块1～4配合位置的X和Z方向自由度，主轴箱丝杠两端施加固定约束，通过静力分析求解得到约束位置的支反力和扭矩，进而得到滑枕滑块(1～4)及安装主轴箱丝杠位置(5～6)所受的力和扭矩，受力位置如图4所示，求得的力和扭矩值如表1和表2所示。

表1 滑枕受力情况

表2 滑枕受扭距情况

图4 滑枕受力位置

4 滑枕模态分析

利用有限元软件对滑枕进行模态分析，计算其固有振动特性，确定其固有频率和振型，为研究滑枕在加工中心工作过程中产生的振动现象以及结构优化设计提供依据［4-5］。由于滑枕的低阶固有频率才有可能与整个加工中心的固有频率接近或重合产生共振，高阶模态的频率已高于可能出现的激振频率，对于加工质量的影响不大，所以只研究滑枕前六阶模态。前六阶固有频率如表3所示，振型如图5所示(为了便于观察滑枕振动情况，将滑块和丝杠隐藏):

表3 滑枕6阶固有频率

如图5所示，滑枕一阶模态为整体沿X方向振动，与丝杠接触部位有绕Y方向的弯曲变形。从一阶模态来看，与丝杠接触部位较低的弯曲刚度使得该处产生绕Y方向的弯曲变形，进而导致了滑枕整体沿X方向的振动。滑枕二阶模态为滑枕上端沿Z方向振动，滑枕三阶模态为滑枕上端沿X方向振动。从二、三阶模态来看，滑枕上端刚度较弱。四阶模态滑枕上端、下端同时沿X方向振动，且上下端运动方向相反。五阶模态与六阶模态类似，都表现为与丝杠接触部位沿Y方向振动，上端沿Z方向振动。从五、六阶模态来看，滑枕与丝杠接触部位和上端刚度较弱。

由于主轴箱安装在滑枕上，因此滑枕的振动将直接传递到主轴箱下端的刀具上，而刀具的振动直接影响工件的加工精度和表面质量。在对滑枕进行结构优化时，提高滑枕与丝杠接触部位以及滑枕上端的刚度，会显著提高滑枕的动态特性，进而提高整个加工中心的加工精度和抗振性。

图5 滑枕六阶振型图

5 滑枕谐响应分析

由于高速立式镗铣加工中心在工作过程中所受切削力是动态变化的［3，6-7］，所以滑枕所受的力和扭矩也是不稳定的，因此有必要对滑枕进行谐响应分析，获得滑枕在承受载荷随时间正弦规律变化时的稳态响应。根据得到的位移频率响应曲线可以分析滑枕在动态载荷下的抗振性能以及滑枕的设计能否克服共振引起的有害效果［8］。

在谐响应分析之前需添加载荷和约束，设定所有载荷均按正弦规律变化，由于滑枕1阶固有频率为118.65Hz，六阶为552.82Hz，所以设置载荷频率范围为0～600Hz。由于滑枕是重要的连接部件，所以在其与主轴箱和横梁的连接部位滑块及丝杠相应位置选择关键点进行分析，在8个滑块上各取一点，丝杠中间部位取一点，取点位置如图6所示，分析这9个关键点的位移频率响应曲线。

图6 取点示意图

图7 滑枕关键点位移频率曲线图

从图7可以看出，滑块1、2和丝杠中间点响应位移明显大于其他部位，说明滑枕上端和其与丝杠的接触部位抗振能力较弱，与模态分析结果一致。载荷频率0～400Hz范围内，除了滑块1和2 Y方向响应位移在210Hz附近接近0.03mm，其他几个点各个方向的响应位移均不超过0.008mm，所以滑枕在该频范围内具有较好的动态特性。载荷频率400～600Hz范围内，所有点在450Hz和550Hz附近响应位移都比较大，滑块1和2 Y方向的响应位移接近0.5mm，滑块3和4 Y方向的响应位移在0.2mm左右，滑块5～8 X方向的响应位移接近0.1mm。由模态分析结果可知，450Hz和550Hz分别接近滑枕的五、六阶固有频率，由此可知当切削力频率与滑枕五、六阶固有频率接近时，滑枕容易发生共振。

在滑枕优化设计过程中，通过适当增加滑枕与主轴箱和横梁接合部位的阻尼可以有效控制其动态响应，使响应位移在加工中心允许的误差范围内。

6 结束语

(1)建立了滑枕、滑块和丝杠组合体的有限元模型，采用 ANSYS Workbench中的 No Separation接触类型单元仿真模型中的接触面，通过对高速立式镗铣加工中心的力和扭矩传递过程进行系统的分析，获得了滑枕的载荷情况并根据实际情况为滑枕添加了约束。

(2)根据模态分析结果，滑枕上端和其与丝杠的接触部位刚度较弱。在对滑枕进行优化设计时可以通过合理布置加强筋以及结构优化来提高这两个部位的刚度。

(3)根据谐响应分析结果，滑枕在0～400Hz频率范围内动态特性较好，400～600Hz频率范围内动态特性稍差，切削力频率与滑枕五、六阶固有频率接近时，滑枕容易产生共振。适当增加滑枕与主轴箱和横梁接合部位的阻尼，可以有效控制其动态响应。

总之，本文所得结论为滑枕结构优化设计和动态特性提高奠定了重要的理论基础。同时本文的分析过程可为同类部件的有限元分析提供一定的参考价值。

［1］李修平.基于ANSYS的高速加工中心有限元分析［D］.湖北:华中科技大学，2005.

［2］ Ming Cong，Qiang Zhao，Tao Han.Influence of different boundary constraint in static and dynamic analysis［c］.2010 International Conference on Mechanic Automation and Control Engineering.June 26，2010－June 28，2010.Wuhan，China:IEEE Computer Society.

［3］石彦华.GS5200龙门五面加工中心横梁部件动态特性分析［J］.制造技术与机床，2009(5):74－77.

［4］吕建法，闫兵，李柏林，等.数控铣床滑枕有限元分析及试验研究［J］.机械设计与制造，2010(5):185－187.

［5］韩江，孟超，姚银鸽，等.大型数控落地镗铣床主轴箱的有限元分析［J］.组合机床与自动化加工技术，2009(10):82－84.

［6］丛明，房波，周资亮，等.车-车拉数控机床拖板有限元分析及优化设计［J］.中国机械工程，2008(2):208－213.

［7］丛明，石会立，宋鸿升，等.桁架机械手动态特性的有限元分析［J］.组合机床与自动化加工技术，2008(6):19－22.

［8］邹青，呼咏，王继新，等.FY-3卫星微波湿度计天线与接收机单元的谐响应分析［J］.吉林大学学报(理学版)，2005(4):485－588.

(编辑 赵蓉)

Finite Element Analysis on Dynam ic Characteristics of Ram in High-speed Vertical Boring and Milling NC Center

CONG Ming，WANG Gui-fei，SONG Jian
(School of Mechanical of Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116023，China)

Vertical boring and milling machining center ram as the object of study,the finite element model is established based on structural features.Taking into account of the connection and movement mode of sliders,ram and guide screw,the contact regions were defined as“Bonded”.Modal analysis and harmonic response analysis were performed on the ram w ith the first six natural frequencies and vibrationmodels obtained.The displacement and frequency curves of9 key pointswere also obtained.The results showed that the contact region between ram and guide screw was a frail part and the fifth and sixth natural frequencies would be aroused easily.All these provide us important basis for dynamic optimizing and designing of ram.

maching center;ram;dynamic characters;finite element

TH114

A

1001－2265(2011)06－0001－04

2010－12－14;

2010－12－30

国家“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项课题(2009ZX04001－011)

丛明(1963—)，男，辽宁大连人，大连理工大学机械工程学院教授，博士，研究方向为机器人技术及应用、结构有限元分析及优化，(E － mail)congm@dlut.edu.cn。