微型移动龙门式铣床结构优化设计

卜雪梅

（齐齐哈尔二机床（集团）有限责任公司，黑龙江 齐齐哈尔 161000）

微型移动龙门式数控铣床的主要结构存在不足之处，为了解决这一问题需要将拓扑优化、正交实验设计方法等作为设计调整的主要依据，首先需要建立本体的有限元模型，再结合当前的加工情况进行静力学分析，从而得出位移和应力云图的主要内容和基本结论。通过模态化分析，来了解前十阶模态所具有的频率和主振类型，通过对有限元结果的分析，运用拓扑优化原理，将其所具有的最小应变能力作为主要的目标函数，并且设计好立柱的整体质量来作为主要约束条件，对当前所采用的微型铣床立柱进行优化设计。同时还可以采用正交实验的方式，来保证工作台的自重下最大位移程度，控制好T形槽的大小，以及槽与槽之间的间距，安排好工作台建设的厚度，将工作台支承面积作为主要的设计变量，从而提高工作台的工作能力，保证优化后机体的正常运行，通过有限元仿真实验，来提高优化后整机的静态性能。

1 本体有限元模型的建立

在进行有限元模型创建的过程中，需要充分的考量有限元网格的计算准确率和精度，因此需要对铣床的几何模型进行适当的优化，减少给电机和传动系统对机床运行所产生的影响，要将主轴电机作为钢体，摘除螺纹孔，控制好部分加工角的一些细小问题，保证各部件之间的有机结合。通常我们会在连接单元TIE，通过八节点、六面体的但愿模型来对机床的本体进行区域和网格性划分，从而得到合理的有限元网络模型。确立静力学的分析参数根据铣削力经验公式：

在整个计算公式中Fz为切向切削的分力，C Fz为铣削力所得的系数，ap为切削的深度，af为每齿间提供的进给量，ae为铣削的宽度，z 为铣刀的齿数，do为铣刀的外径，kFz为铣削的力修正系数，在进行刀具选择的过程中一般会选用直径铣刀的外径为 10mm 的具有4齿的平底圆柱高速钢铣刀，铣削材料主要为碳钢，刀具一般会沿 X 的方向进行运动，取最后的数值为 C Fz= 641，ap= 0.5mm，af= 0.2mm，ae= 0.05铣刀的外径，k Fz= 1，根据计算公式最终求得 Fz= 30.6N

2 静力学分析

在微型铣床道具的使用过程中，刀位点大多数都处于X、Y、Z三个方向，由上述参数求得的结果可知三个方向分别施加30.6N的力，并且在机床的质点添加向下的重力，保证加速度为9800mm/s2，通过静力学内容的分析，通过计算内容来得出最终演示结论，我们可以将综合位移设定为8.42×10-4mm保证机床运行的最大应力为0.16MPa。

在进行模型创建的过程中，还需要结合国际化发展惯例，一般情况下，45钢的强度处于355MPa为了更好的满足铣床运行过程中的发展需求，我们可以通过分析铣床x和y轴的刚度情况来保证主轴的刚度。最终的分析结果为：因为x轴的机架和立柱之间的连接板刚度不强，因此x和y轴的刚度较弱，X轴的机架和立柱之间的连接部分尺寸过小，无法满足铣床的稳定运行需求。

3 模态分析

我们需要通过适当的求解方式来提取前十阶模态频率和主要振型，微型龙门铣床的前十阶的固有频率之间具有较大的差距，因为机床的整体具有一定的抗震能力，工作台如果一旦发生变形，就会直接影响到工件加工所具有的精准性，因此需要明确，工作台是机床的重要结构部件。在进行前十阶的固有频率和主振型分析过程中，经常发现前六阶都是工作台的振动变形情况，并且震动的幅度较大，在了解这一问题产生的主要原因时，我们可以得知工作台所具有的原始刚性不足。

除此之外，工作台的立柱上的床身还会发生扭振的情况，从而导致机床的刀具出现摆动幅度较大的问题，影响到铣削的精度，通过实验分析可以得出结论，之所以产生这些问题，都是因为立柱和x轴之间的连接部分，具有尺寸较小的问题，造成连接部位之间的刚性不足，从而影响了零件加工的整体质量，为了解决这一问题，需要适当的增大工作台所具有的刚度，保证立柱和x轴床身的连接部位刚度符合相应的标准。

4 工作台的结构优化

我们现已明确工作台式机床设计稳定性的重要影响部分，因此在进行工作台优化设计的过程中，可以采用正交实验设计方式来全面提高机床的加工精度，首先，在施工开始之前，需要将工作台的进度调整作为主要的优化目标，实验内容主要是依靠静力学现有的规定来对于工作台进行最大位移。同时需要对工作台的T型槽大小，以及梯形槽之间的间距，工作台本身所具有的厚度，工作台支撑端边的主要长度，进行详细的分析和明确，从而制定出正交实验表，了解不同的因素对目标函数所造成的运行影响，提出最优的组合水平数值。

5 优化后的有限元分析

在对微型龙门铣床进行优化调整之后，需要对机床本身的静、动态特性进行详细的分析，通过对优化前后的结构模态来了解机床低阶频率所发生的变化，全面提高机床的整体机动性。一般情况下，我们可以将刀具的表面分为不同的两个区域，首先是磨损区域，通过对磨损区域发生现状的对比，来了解不同元素所造成的加工问题，通过研究表明，来了解刀具上的粘着层主要是为了覆盖刀具表面所产生的磨痕，对刀具的使用产生保护效果，当其厚度变薄弱之后磨痕就会显得更加明显。长此以往，会发生粘著层剥离的情况，降低刀具的使用寿命，在实验和优化的过程中，需要注重本体有限元模型的建立，对静力学计算内容进行详细的分析，从而得出相应的模态，通过模态的了解和探讨，来明确工作台和立柱的主要结构优化内容，优化完成后再通过有限元的模型建立进行第二次分析。

6 总结

微型移动龙门式铣床通常被用于小型零件的加工，想要全面提高零件的加工质量，就需要通过适当的方式来提高微型龙门式铣床所具有的刚性，调整好加工精度，对机床的本体性结构进行全面优化，同时在进行机床结构优化的过程中，很多专家学者都做了相应的研究。最后得出结论，拓扑优化与有限元仿真相结合的方式，更有利于机床的立柱优化，建设立柱的最佳结构模型，来对机床的床身进行模拟态势分析，结合分析的主要结果来重新设计床身的横梁和立柱。综合型的优化技术，能够有效提高机床的床身结构，因此，不能局限于单个补件的优化，还需要对多个关键部件进行综合性考量，改变传统的机床结构，提高机床的刚度和精度。