GSLM3308五轴联动镗铣加工中心横梁的静态特性分析*

廖 菲，陈启愉，吴智恒，林建新，罗田

(1.广东省工业技术研究院 机电工程研究所，广东 广州 510651;2.广东鑫泰科技集团有限公司，广东 广州 511458)

1 引言

龙门加工中心机床具有加工范围大、机床变形小、热变形特性好、机床刚性高等特点，广泛应用于各类通用机械、零件、注塑模具、铸造钢模的单件或批量生产，是汽车制造、工程机械、航天航空、电子、军工等行业的重要工艺加工设备［1］。横梁作为机床的大型基础部件之一，设计要求具有较轻的质量和较高的静态和动态刚度，采用传统设计方法难以在设计过程中预知横梁及至整机的结构动静态特性，因此笔者引入现代设计方法，将有限元分析技术应用于横梁结构设计，为进一步的改进设计和优化提供依据［2］。

2 GSL3308五轴联动镗铣加工中心结构

GSLM3308五轴联动镗铣加工中心的机械主体主要由工作台、横梁部件、左右高架桥等组成。传统的龙门加工中心一般采用横梁固定、工作台运动的结构形式，难以实现高速加工，而GSLM3308五轴联动镗铣加工中心采用横梁移动、工作台静止的结构形式，在相同机床占地面积的情况下扩大零件的加工尺寸范围，且避免了因质量较大的工件和工作台在运动过程中对整机动态性能的影响和因工件质量变化造成整机动态特性的变化，易于实现高速、高精度加工［3］。

如图1所示，该机床工作台固定，由装有铣头的横梁沿y坐标方向运动，横梁上安装有动力滑座、滑枕、主轴箱、冷却箱及液压箱等部件，滑座沿横梁实现x坐标方向运动，主轴箱滑枕沿横梁实现z坐标方向运动。x、y、z轴的行程范围为3 300 mm×8 500 mm×1 000 mm，工作台面8 000 mm×2 600 mm，最大承载质量30 000 kg，3个轴的工作进给速度为4 m/min，轴快速移动速度为8 m/min。

图1 GSLM3308五轴联动镗铣加工中心结构

3 横梁系统模型建立

GSLM3308五轴联动镗铣加工中心横梁长为4 610 mm，宽为997 mm，高为1 017 mm。采用Pro/E建立模型，并对凸台、倒角、螺纹孔、油孔等细节特征信息进行简化，以节约计算资源，缩短计算运行时间，提高分析效率［4］。几何模型直接影响分网过程、网格形式和计算精度，简化后的模型如图2所示。

图2 GSLM3308五轴联动镗铣加工中心横梁简化图

将几何模型导入Hyperworks，采用自动网格划分方式，建立有限元模型如图3所示。横梁材料选用HT300，密度为7 350 kg/m3，弹性模量为130 GPa，泊松比为0.27。

图3 横梁有限元模型

4 横梁结构的静态特性分析

静力分析是要确定原始结构的合理性并以此作为结构优化的前提，机床的静力分析主要是确定机床的静刚度，考核机床在静载荷作用下抵抗变形的能力［5］。作用在加工中心横梁上的静载荷主要是横梁、滑枕和主轴箱等本身的重力和加工时的切削力。其中横梁自重为均布载荷，滑枕、主轴箱的重量为集中载荷，而切削力为大小、方向可变的外载荷。由横梁的结构特点可知，切削力作用下横梁在y方向的变形量最大，且横梁中间部位结构最薄弱，因此只需分析滑枕、主轴箱处于横梁中间位置时，重力载荷以及y方向的切削力共同作用下的横梁刚度即可。

根据经验取机床在y方向承受的最大切削力为10 000 N，通过在Hyperworks中应用Radioss求解器计算分析，在滑枕处于中部时横梁的应力、变形云图分别如图4、5所示。由图4可知，横梁中上部受到的应力较大，往横梁两端和下部逐渐减小，其受到的最大应力为2.314 MPa，而HT300的许用应力［σ］=250 MPa。显然横梁的等效应力远远小于其许用应力，横梁的强度满足设计要求，设计安全。由图5可知，横梁两端变形较小，中间位置变形最大，最大位移变形量为0.006 549 mm。显然横梁总体变形量较小，说明机床横梁静刚度较好，能够达到机床的精度要求［6］。

图4 静载作用下横梁应力云图

图5 静载作用下横梁位移变形图

5 结语

可移动横梁是GSLM3308五轴联动镗铣加工中心中最大的移动部件，其静动态刚度在很大程度上决定了整台机床的加工精度和寿命，在进行横梁结构设计时，必须对其进行充分的静力特性分析，以发现设计结构中的薄弱环节，并依据分析结果改进结构设计，从而最终提高横梁静态性能，达到设计指标要求。运用现代设计方法对机床机构进行静态分析及优化设计，可以有效地提高设计效率，降低设计开发成本，在工程实际中有着重要的意义。

［1］ 罗传林，李锻能.龙门式机床横梁的结构设计研究［J］.机电工程技术，2006，35(3):45-47.

［2］ 蒋红平.XH715立式加工中心机械结构静动态分析与优化设计［D］.南京:东南大学，2007.

［3］ 倪向阳，张建润，孙庆鸿.高架桥式五坐标龙门加工中心整机动特性分析［J］.精密制造与自动化，2005(1):12-16.

［4］ 李晓园，尹志宏，张明旭，等.数控龙门镗铣床横梁结构特性分析及优化［J］.2012，7(41):69-72.

［5］ 刘 悦，王立平，关立文，等.基于结合面的龙门加工中心虚拟建模及静刚度研究［J］.工具技术，2007，41(5):14-17.

［6］ 马 海.立式磨床横梁的有限元分析和结构优化［D］.天津:天津理工大学，2012.