数控落地铣镗床滑座的模态分析及优化
2014-09-20李军王晓枫
李军，王晓枫
(合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥 230009)
数控落地铣镗床滑座的模态分析及优化
李军，王晓枫
(合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥 230009)
车床床身是整台机床的基础和支架，其振动和刚度影响着零件的加工精度。利用SolidWorks建模，并运用ANSYS Workbench进行数控落地铣镗床滑座的前6阶模态分析，得到滑座的固有频率、振型及动态特征；在保证车床静刚度的前提下，提出3种优化方案，对优化前后的模型进行对比分析，找出最优方案，为车床的设计提供新的思路和方法。
数控落地铣镗床滑座;模态分析;优化
Abstract:Lathe bed is the support and foundation of the whole machine tools, its vibration and stiffness affect the machining precision of parts. SolidWorks was used to model, and ANSYS Workbench was used to make the former six stages modal analyses of the CNC floor-type milling and boring machine slide. The dynamic characteristics, vibration mode and natural frequency of the slide were extracted. In the premise of ensuring static stiffness of the machine tool, three kinds of optimization scheme were put forward. Contrast analysis was carried out on the modified before and after optimization. The optimal scheme is found, which provides new idea and method for the design of the lathe.
Keywords:Slide of CNC floor-type milling and boring machine;Modal analysis; Optimization
0 引言
目前,研究机床床身动态性能的方法主要是模态分析法,模态分析研究的主要内容是确定机床床身的振动特性即固有频率和主振型,它们是承受动载荷的重要参数。通过模态分析可以判断振型是否影响加工精度,根据此数据还可对机床床身进行优化。
我国目前的研究主要是针对进口机床部件的动态性能分析，主要还是学习国外先进的设计方法，在设计上多半还是借鉴国外的机床结构，真正从动态性能考虑设计结构还是比较少，还需多为设计提供更多有效的动态性能的客观数据，从而真正将其应用到机床的优化设计中去。
1 模型的建立及划分网格
几何建模是有限元分析的基础。ANSYS软件虽有建模功能，但相对于CAD软件强大的建模功能，ANSYS就显得繁琐，因此ANSYS软件提供了与CAD软件数据接口，可直接把CAD软件中建立的模型导入ANSYS中。先在SolidWorks中创建滑座模型，后经PARA的X_T格式导入ANSYS中，再用ANSYS进行网格划分、加载求解与后处理，这样不仅可以保证计算精确，且在很大程度上提高了效率。
(1)根据现有的零件测绘出零件的各个尺寸，然后在SolidWorks中绘出模型的三维图，见图1。
(2)进行网格划分。设置网格质量为中等，然后就可以进行网格划分，结果见图2。
网格划分完成后需要对划分的网格质量进行检查，确定所进行的划分是否符合标准，一般情况下大于0.8的就算不合格。质量检查结果见图3，可见网格划分质量是合格的。
2 模态分析及优化
(1)根据滑座的实际工作情况，对滑座的3个地面施加约束，见图4。
(2)进行模态分析，此次分析只进行前6阶低阶频率的模态分析，结果见图5。
数控落地铣镗床滑座的一阶模态是上下方向变形；二阶模态是上下方向的弯曲变形，且变形仅发生在左部，属于局部变形；三阶模态是上下方向曲面变形，是发生在右边的局部弯曲变形；四阶模态开始出现较大范围的弯曲变形，床身已经相当扭曲；五阶模态是床身右部严重弯曲，底板有轻微程度的形变；六阶模态是机床床身完全扭曲变形，变形范围已经波及到整个床身。
通过模态分析，得出数控落地铣镗床滑座的前6阶低阶频率，分析出该频率下机床床身的形变，为接下来进行的优化分析做参照。结果见表1。
表1 优化前的频率
完成前面6个阶段的模态分析，进行优化，共分析9个典型的点，见图6。
3 结论
对所得出的优化方案进行分析选取最优方案，得出3种优化可行方案，对比见表2。
表2 优化方案
由表2可以比较直观地看出优化前后几组数据的变化，考虑到形变、频率的影响以及对机床床身整体刚度的影响，方案一还是较其他方案更合理。将方案一的结果还原到模型中再进行模态分析,得到结果见表3。
表3 优化后的频率
通过对比可以看到:虽然前6阶固有频率只是略微地提高了点，但是节约了材料,减轻了机床的质量，而且没有降低其他的性能。
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ModalAnalysisandOptimizationforSlideofCNCFloor-typeMillingandBoringMachine
LI Jun， WANG Xiaofeng
(Hefei University of Technology, Hefei Anhui 230009, China)
2014-03-24
李军(1989—)，男，硕士研究生，研究方向为数字化设计与制造。E-mail：1092630732@qq.com。
