大型机床工作台的动态性能研究及结构优化

2014-07-13陈再良

制造技术与机床 2014年11期

黄静陈再良

(①苏州大学机电工程学院，江苏苏州215021;②亳州师范高等专科学校理化系，安徽亳州236800)

我国大型落地镗铣床方面的生产及制造水平比过去有了很大的提高，但与国外同类产品的性能相比，还有很大差距。就数控回转工作台而言，主要在承载能力、结构刚性、抗振性、精度保持性等方面存在差距。研究设计了一种4 000 mm×5 000 mm的新型结构工作台，并以提高工作台刚性和动态特性为目标进行了优化。

1 筋板结构的设计与力学分析

工作台筋板的布置形式一般有米字形、井字形、X形、环形+放射形以及仿生结构等等。文中对传统筋板结构中的井字形筋板(即纵横筋板)和环形筋+放射形筋两种筋板布置形式展开研究。

1.1 创新型工作台结构形式

对传统筋板结构的等效力学模型分析发现，放射形筋板能够很好地传递台面上的载荷，传递过程中不会产生悬臂载荷及传递的拐角，具有最短的传递路径，不会产生因筋板附加扭矩而引起的变形，也不会产生明显的应力集中，明显地提高了回转工作台的结构刚性。而纵横筋板较环形筋板在结构上简单得多，具有很好的加工性能。综合考虑工作台的加工性能以及筋板结构的合理性，对传统筋板结构进行改进得到一种新型的筋板布置形式:在环形筋+放射形筋的基础上保留放射筋板，而将环形筋板用多边形筋板来替代。

新型筋板布置形式如图1c所示，放射形筋板+多边形筋板中保留了放射筋的这些优点，避免了纵横筋板局部变形对工作台整体变形影响严重的缺点，而用多边形筋替代环形筋的好处在于使工作台筋板结构变得简单，且易于加工。

1.2 工作台的力学分析

将建立好的工作台几何模型导入ANSYS中进行网格划分，对3种模型施加相同的边界条件及约束载荷，然后进行静力学仿真，得到不同工作台的位移云图、等效应力云图;分析结果从表1可以看出，新型筋板结构与传统筋板结构相比，工作台的质量减轻了6%、最大变形量减小了5%、最大等效应力减小了28%，表明新型筋板结构在提高工作台结构刚性、减小应力集中、减轻质量以及提高工作台动态性能方面的具有良好的效果，为工作台的结构优化设计奠定了基础。

表1 3种工作台有限元分析结果寻优取整

由图2所知，3种筋板结构工作台的最大变形均发生在4个角上，纵横筋板工作台的变形量最大，而且其最大等效应力与另外两种结构相比要大得多，表明纵横筋板工作台在台面较大时变形较大及应力集中明显，所以在设计较大台面工作台时，不宜采用纵横筋板的布置方式;对于环形筋+放射形筋工作台和放射筋+多边形筋工作台，对比其等效应力云图可看出，它们的最大等效应力基本相等，均能够满足设计要求;放射形筋+多边形筋工作台的最大变形量比环形筋+放射筋工作台的最大变形量要小，验证了放射筋+多边形筋这种新型筋板布置方式在抵抗变形、提高结构刚性方面的良好性能。

2 新型工作台的结构优化

结构优化的目的是优化材料的分布，使其在确定的负载下获得最大强度和刚度，形状优化则对于概念设计或对现有产品进行轻量化设计很有帮助。

2.1 形状优化有限元分析

将新型工作台的几何模型导入ANSYS中，由于形状优化是在载荷和约束给定的基础上尽量减少体积和增大刚度，所以载荷和约束的施加很重要，这里在导轨支承的圆形区域内施加固定约束，中间的圆孔处施加旋转约束，约束其轴向及径向;载荷施加在工作台上表面。在定义好优化参数以后提交计算，显示可去除材料分布云图，如图3所示。

由图3可去除材料的分布云图可知，筋板的大部分处于浅色区域，这说明新型工作台的筋板结构整体是合理的。但工作台的4个角及筋板板面的中间区域显示为深色，表明这些区域的材料可以去除。

对于显示为深色的4个角，在保证筋板强度的基础上使筋板继续向外适当延伸，将深色区域的实体结构改为筋板结构。对于筋板板面上的深色区域则是应该开出砂孔的区域，以此为基础结合工作台筋板的整体结构在深色区域开出砂孔。出砂孔有出砂和轻量化的作用，其形状和大小直接影响到工作台的动态特性。利用ANSYS模态分析，可以求得不同出砂孔形状或尺寸筋格工作台的固有频率。

2.2 基于元结构的工作台动态变量优化

将构成工作台筋板结构的1个筋格作为1个元结构研究对象，笔者分别就筋格上出砂孔的形状和大小以及筋格的厚度与其固有频率之间的影响关系进行了动态的分析。

结果表明，工作台的最终方案:①将方形出砂孔改为椭圆形出砂孔，椭圆形出砂孔的短轴a=100 mm，长轴b=185 mm;②将工作台筋板厚度减小为40 mm，工作台壁厚保持为50 mm;③出砂孔个数为5个，前后左右相对的4个面为4个椭圆孔，底面出砂孔形状和初始方案相同。经过以上几个方面的改进后，工作台的质量为32.79 t，首先从质量上对工作台进行了优化。下面验证最终方案在提高工作台刚度、动态性能等方面的合理性。

利用ANSYS对最终方案的工作台进行静力学分析和模态分析验证最优方案工作台的性能，如图4和图5分别为最优方案工作台的位移和等效应力云图。

从图4、图5及表2可以看出，最终方案工作台均处于低应力区，最大应力为13.445 MPa;最大变形量为0.116 mm，较初始方案最大变形量0.161 mm降低了28%，工作台刚性提高显著;且一阶固有频率比初始方案提高了17.9%;最终方案质量减小了10.9%。表明最终方案在减轻工作台质量，提高工作台刚性、提高工作台动态性能等方面效果显著，验证了最终方案的合理性。

3 结语

大型机床工作台以筋板布置形式为基础，根据有限元分析得到可去除材料分布云图，对工作台整体进行结构优化，得到工作台内部筋板布置以及筋板上出砂孔位置;在此基础上，进一步研究筋格结构参数对筋格固有频率的影响及筋格相关参数对工作台整体工作性能的影响，再次改进后得到了理想的工作台筋格结构。计算结果表明，两次优化后，可充分减轻工作台质量，提高工作台刚性及动态性能。