机床床身结构优化设计

2018-12-18朱爽高强王炳达彭胡刘小琨

科技与创新 2018年23期

朱爽，高强，王炳达，彭胡，刘小琨

机床床身结构优化设计

朱爽，高强，王炳达，彭胡，刘小琨

（沈阳工程学院机械学院，辽宁沈阳 110136）

机床床身是整个机床的基体结构，为机床上的加工零件提供运动轨迹，为各种运动提供精度服务。床身结构是否合理，将影响整个机床的精度和寿命。以超高速磨削机床床身为例，通过有限元分析了机床床身长、宽、高和空洞筋板等对其动态特性的影响，为机床床身的优化设计提供基础。

机床床身；动态特性；优化设计；机床精度

随着计算机辅助设计软件的开发，机床设计周期越来越短，成本越来越低，各个机床企业之间的竞争越来越大，结构的优化显得尤为重要。机床床身是整个机床的基体结构，为机床上的加工零件提供运动轨迹，为各种运动提供精度服务。床身结构是否合理，将影响整个机床的精度和寿命。为了获得合理的床身结构，本文将依次分析床身长、宽、高等结构尺寸对固有频率的影响。

1 床身长度对其动态特性的影响

两个结构和材料属性完全相同的超高速磨削机床床身如图1所示，b模型在a模型的基础上缩短了床身边沿并去除了床身上的孔洞。

图1 床身有限元模型

为了研究床身长度对其动态特性的影响，对图1的2个模型进行有限元分析，得到固有频率，具体如表1所示。

通过有限元分析结果可以发现，缩短了床身边沿并去除了床身上的孔洞后，床身的固有频率会大幅度提高。机床床身边沿由于厚度较小且延伸在外，是整个床身上最为薄弱的边沿，在受到外力时容易产生振动，而缩短床身边沿可以有效避免因床身边沿过长导致的振动，从而提高床身动态特性。另外，去除床身上的孔洞可以有效避免应力集中对动态特性的影响，从而提高床身的动态特性。

2 床身宽度对其动态特性的影响

床身宽度的增加可以提高床身的稳定性，从而改善床身的动态特性，但是随着宽度的增加，宽度方向上的刚度会有所降低，导致床身的动态特性变差。为了确定随着宽度增加，床身动态特性的变化趋势，将b模型的床身模型增加宽度后进行模态分析，得到固有频率如表2所示。

表1 床身固有频率对比

模态阶数有限元模型 a模型b模型 1109233 2143348 3177379 4223385 5253440 6291464 7297510 8360526 9399535 10441582

表2 床身宽度固有频率对比

模态阶数床身宽度/mm 525575 1233220 2348346 3379376 4385381 5440400 6464426

通过对比可以发现，当床身宽度增加后，固有频率会有所降低，动态特性会受到影响。由此可见，增加床身宽度后，其刚度的降低要超过稳定性增加所带来的影响。为了能够在增加床身的稳定性的同时避免宽度方向上的刚度降低，可以考虑增加筋板。

3 筋板对其动态特性的影响

为了考查增加筋板的方法是否能够避免宽度方向上的刚度减弱，从而避免机床床身的动态特性受到宽度增加的影响，在上述增加宽度后的模型内加入筋结构，如图2所示，并进行模态分析。模态分析后，得到固有频率如表3所示。

图2 增加筋板的有限元模型

表3 筋板结构的影响

模态阶数床身宽度/mm 525575575（加筋） 1233220201 2348346338 3379376420 4385381451 5440400537 6464426576

通过分析结果可以发现，增加筋板结构后，可以改善床身的刚度，有效避免增加宽度带来的影响。虽然低阶模态的固有频率仍然有所降低，但降低量较小。所以，筋板的添加是改善高阶模态下机床床身的固有频率的有效方法。

4 床身高度对其动态特性的影响

高度是影响机构稳定性的重要因素。为了研究床身高度对其动态特性的影响程度，改变b模型的高度，并进行有限元分析，得到的固有频率如表4所示。

通过有限元分析可以看出，床身高度变化在100 mm范围内时，对其固有频率的影响并不稳定；当变化超过100 mm时，固有频率明显有所提高。因此，在条件允许的情况下，应尽量降低床身的高度以改善其动态特性。

表4 床身高度固有频率对比表

模态阶数床身高度/mm 715 700 675 650 625 600 1233237259231242265 2348341372360359377 3379379377376376380 4385384387382383457 5440445482467469516 6464462505472482526