开放式加工设备整机静动态特性分析及其优化*

冀 敏，张进生，王书达，孙 芹

(山东大学 a.机械工程学院；b.建材与建设机械研究中心；c.高效洁净机械制造教育部重点实验室，济南 250061)

开放式加工设备整机静动态特性分析及其优化*

冀 敏a,b,c，张进生a,b,c，王书达a,b,c，孙 芹a,b,c

(山东大学 a.机械工程学院；b.建材与建设机械研究中心；c.高效洁净机械制造教育部重点实验室，济南 250061)

以开放式铝材构件加工设备为研究对象，对整机结构进行了静动态特性分析及其优化设计。分析了考虑切削力情况下整机静力变形情况与各部件变形量占系统总变形量的百分比、找出了系统静刚度的薄弱环节；通过整机模态分析获得了前6阶固有频率及振型，找出了整机动态特性薄弱环节；对薄弱环节——横梁及滑枕进行了优化。为研究此类加工设备静动态特性及其结构优化设计提供理论基础，有助于提升窄长铝材构件加工质量，促进相关行业发展。

开放式加工中心；静力学分析；模态分析

0 引言

窄长铝材构件加工设备主要应用于轨道交通、船舶、车辆用铝型材及建筑幕墙等加工领域，因为该类铝型材具有结构上长宽比大、壁薄、截面复杂和工艺上加工工序多、加工区域距离远、易变形的特点，所以要求加工中心具有纵向行程长、装卸方便、静动刚度好、精度高等特点。

近年来，国内外对龙门式加工中心静动态特性进行了较多的研究。李殿新[1]等人采用细化试验方法测量了机床整机及部件的变形量，找到了整机静刚度的薄弱环节。Rong Yan[2]等人分析了整机各部件的变形量，采用串联刚度场理论分析了各部件变形对整机刚度的影响，找到了整机的薄弱的环节。Brecher[3]等人通过模态试验分析，获取了机床结构的前12阶固有频率和振型，基于试验结果研究了机床抵抗外部干扰的性能。本文根据开放式加工设备的特点及设计要求，并借鉴前人的研究方法对整机进行了静动态特性分析，综合分析确定加工设备整机结构的薄弱环节，并对加工设备结构薄弱环节进行改进。

1 加工中心整体布局

开放式铝材构件加工设备采用床身、夹具固定，横梁、滑座、滑枕移动的C型结构，主体结构包括由床身、立柱、横梁、滑座、滑枕等部分，如图1所示。

1.地脚 2.床身 3.立柱 4.横梁 5.滑座 6.滑枕 7.主轴 8.工件 9.夹具图1 开放式铝材构件加工设备总体结构布局图

2 加工设备静力学分析

2.1 加工设备有限元模型建立

(1)模型简化：在建模时对模型进行适当的简化，去除螺纹孔、小圆孔、倒圆及倒角等细小工艺结构。

(2)定义材料属性：加工设备的床身、横梁、立柱采用焊接结构，材料选用Q235；滑座采用铸造结构，材料选用HT200；滑枕材料采用6061铝合金；导轨、滑块材料为淬硬钢。各材料的弹性模量、泊松比及密度值见表1所示。

表1 各材料的特性参数

(3)结合面设置：加工设备的结合面主要包括滑块-导轨轨道结合面和螺栓连接的固定结合部。滑块可沿导轨运动，在两个方向上承受力的作用，采用节点耦合的接触单元模拟；螺栓连接的结合面采用bonded接触单元模拟。

(4)网格划分：采用四面体与六面体混合的方法，并对局部进行网格细化处理，对加工设备进行划分网格，有限元模型如图2所示。

图2 加工设备有限元模型

2.2 整机静力学分析

(1)切削力的确定

以高速列车侧墙材料6005A-T6铝合金为加工对象，分析刀具处的切削力。根据铣削力的计算公式计算得出Fz=869N。

为方便静力分析时施加载荷的方便，将铣削力沿设备X、Y、Z方向分解为三个分力：X向进给分力Ff、Y向进给分力Fe和Z向进给分力FfN。

端面铣削时各分力与铣削力的关系：

得到：

极限切削力是表征设备加工能力的重要参数之一，其大小约为最大切削力的1.6倍，最终确定各向的切削力：

Ff=557N，Fe=1251N，FfN=696N

(2)载荷施加及求解

根据设备的结构可知，当滑座位于横梁最外端，滑枕沿设备Z向移动到最下端时，主轴头的变形量最大，因此，加工设备整机的静力学分析以此位姿计算。将三向切削力施加在主轴头端面上，并对整机施加标准重力场，分析加工设备整机在切削力作用下的各向变形云图，如图4、图5所示。

(a)总位移

(b)X向

(c)Y向

(d)Z向图4 整机切削力下各向变形云图

整机在切削力作用下主轴头端面最大位移结果：总位移为0.1365mm；X向位移为0.0743mm；Y向位移0.1092mm；Z向位移-0.01352mm。以最小截面规格铝材构件加工允差±0.1mm为精度要求，本设备难以满足加工要求。

测量各部件连接处的变形量，并以每部件两端处变形量差值作为每个部件的变形量，从而将总变形分解到各个部件，各部件变形量占系统总变形比例如图5所示。根据计算结果得出横梁、滑枕的变形量最大，分别为0.0306mm和0.0431mm，占到了整机变形的22.42%和31.57%。

图5 各部件变形量贡献图

3 加工设备整机结构模态分析

采用Fixed Support约束方式将设备安装支脚底面固定，作为床身分析的约束条件。对整机结构前6阶模态进行分析，频率范围10Hz～1×108Hz，防止外界噪声干扰。获得整机结构的前6阶固有频率和振型，如图6所示。整机各阶振型描述见表3。

(a)1阶 (b)2阶

(c)3阶 (d)4阶

(e)5阶 (f)6阶图6 整机各阶固有频率及振型

表3 固有频率和振型描述

由整机前6阶振型可知，加工设备的振动主要表现为横梁外端的弯曲及扭曲振动和滑枕的弯曲及扭曲振动；结合静力学分析，横梁、滑枕的动、静态特性均不理想，是设备的薄弱环节，需要进一步优化其结构。

4 薄弱环节优化设计

由加工设备整机静动态特性分析可知，滑枕、横梁是整机变形量最大的部件，且整机的主要振动也表现为滑枕、横梁的振动，因此，它们为加工设备的薄弱环节，应对滑枕、横梁进行结构优化，以提高整机静动态特性，进而改善加工设备的加工性能。

4.1 滑枕结构优化设计

滑枕为铝板铣削加工而成，材质为AL6061，具体结构如图7a。通过改变滑枕结构，由直接铣穿改为铣成中空结构，并布置加强筋，加强筋由横板与斜板组成，焊接在滑枕的中空腔内，以提高滑枕抗扭刚度，如图7b所示。

(a)滑枕原始方案 (b)滑枕优化方案 图7 滑枕结构优化前后模型

4.2 横梁结构优化

横梁原始结构为一根方管与4块加强板焊接布置在横梁内部，如图8所示。通过改变加强板厚度尺寸与筋板布置形式，以增加横梁的支撑刚度，具体改进方案为将加强板的数量由4块增为8块，并对加强板的厚度值进行尺寸优化。

图8 横梁结构原始模型

通过ANSYS Workbench的Direct Optimization模块对横梁加强板厚度尺寸进行优化设计，目的为降低加工设备整机的变形。选取横梁加强板厚度h1为设计变量，h1的初始值为10mm，设计范围定为5≤h1≤25；综合考虑设计要求及轻量化，优化目标为整机质量最小与主轴头端面最大位移最小。采用Screening(采样及筛选)方法进行运算，采样数为20，分析后获得各设计点的主轴端面最大位移与整机质量情况。当h1=18mm时，主轴端面最大位移为0.0895mm，整机质量为2375.5kg，认为其为最优尺寸。

4.3 整机静动态优化前后对比

将横梁、滑枕优化后，对整机结构进行静动态特性分析，获得整机受切削作用下的结构位移云图，如图9所示。

图9 优化后整机结构位移云图

改进前后结构分析结果对比见表4。

表4 改进前后结果对比

5 结束语

建立了开放式铝材构件加工设备整机有限元模型并基于ANSYS Workbench对整机结构进行了静动态特性分析，结合静动态分析结果发现滑枕、横梁的静动态特性均不理想，为整机的薄弱环节；针对横梁、滑枕的结构特点，通过改变尺寸、布置筋板、优化筋板布置形式，以提高横梁支撑刚度、滑枕抗扭刚度；对比优化前后方案，整机变形量减少了34.43%，降为0.0895mm，满足各种规格铝材构件的加工精度要求，设备前6阶固有频率均有提高，且整机振型与原始方案相比，无明显振动及局部振动，整机静动态特性得到了较大改善，为实现加工设备优良的加工性能提供了支持。

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(编辑李秀敏)

TheStaticandDynamicCharacteristicAnalysisandTheOptimizationofOpenFrameMachiningEquipmentforAluminumComponents

JI Mina,b,c, ZHANG Jin-shenga,b,c, WANG Shu-daa,b,c, SUN Qina,b,c

(a.School of Mechanical Engineering; b.Research Centre for Building Materials and Construction Machinery; c.Key Laboratory of High Efficiency and Clean Mechanical Manufacture, Shandong University, Jinan 250061,China)

Taking the open frame machining equipment for aluminum components as the research object, analyze the static and dynamic characteristics of the whole machine structure and optimize the fracture. Analyze the static deformation of machining equipment considering the cutting force and the percentage of the deformation of each component to the system, the weak parts of the system static stiffness can be found. According to the modal analysis, the first six order natural frequency and the mode shape can be obtained, then the weakness of the system dynamic performance can be found. Finally,the weak parts such as the beam and ram, which is the weakness of the machining equipment have been optimized.The study provides a theoretical basis for the static/ dynamic performance analysis and structure optimization for this kind of machining equipment. The study can improve the processing quality of the long narrow aluminum components and promote the development of the relative industries.

aluminum components; open frame machining equipment; static structural analysis; modal analysis

TH16; TG502

：A

1001-2265(2017)09-0062-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.09.016

2016-11-11

山东省重点研发计划(2015GGX103032)

冀敏(1991—)，男，济南人，山东大学硕士研究生，研究方向为铝材构件高效加工关键技术与装备研发，(E-mail)317884679@qq.com；通讯作者：张进生(1962—)，男，山东高青人，山东大学教授，博士研究生导师，研究方向为硬脆材料高效加工技术及装备，(E-mail)zhangjs@sdu.edu.cn。