基于有限元分析方法的新型机床设计

刘妍

摘要：传统的机床产品设计当中，多是采用以人工经验为主的设计形式进行经验设计，产品设计参数以及耦合性能往往达不到设计标准，这为后期的运维和检修也带来了一定的难度，机床在实际的运行过程中工作效率较低，并且还可能存在潜在的作业危险等问题。立式加工机床能够有效的解决工作效率和安全性能等问题，对此本文重点探究了立式加工中心动态性能对切削性能的影响，对工作台和主轴箱在不同切削工艺参数情况下的功率谱进行了有限元模拟分析。结果表明，新式的产品结构有效的替代了人工操作的过程，同时也增强了结构的稳定性，可靠性较高。

关键词：有限元;机床设计;结构稳定性

中图分类号：TH122                                      文獻标识码：A                                文章编号：1674-957X（2021）12-0082-02

0  引言

工艺制造业是衡量一个国家工业技术水平的核心，同时装备制造水平也是一个国家综合国力的体现。作为制造业当中的制造母机，高速立式加工中心在装备制造当中具有着不可小觑的作用，其性能的好坏直接决定着加工零件的工艺水平，因此对其性能的研究显得尤为重要。然而机床的动态性能是影响加工样件的尺寸精度及表面质量的关键因素[1]。因此建立系统而有效的动态性能测试与分析方法，并将其应用在机床的结构设计和优化过程但当中，具有重要意义。同时依靠仿真分析结合实际测试的方法进行机床的结构设计时，也可以大大缩减设计周期，并行之有效的达到优化设计的目的，模拟+实测的设计形式有效的提升产品主要关键部件的动态性能[2]，提升整机的动态性能，对于提升机床切削性能意义重大，有效的提升了产品在市场中的竞争力。

1  加工中心工作台和主轴箱动态性能对切削性能的影响分析

为了研究立式加工中心动态性能对切削性能的影响，首先对工作台和主轴箱在不同切削工艺参数情况下的功率谱进行了模拟分析，通过观察比对加工中心切削过程中的功率谱图，可得知在工作台和主轴箱转速、进给量变化时不同频段上能量的变化，从而确认加工中心工作状态对加工过程的影响。为优化切削工艺参数，避免颤振现象提供依据，本研究对于其动态特性的研究，主要做了两方面的工作，如图1所示。

一方面通过随机环境激励和运行模态法，获得加工中心工作台的动态性能参数;另一方面通过不同工艺参数下的切削试验，得到加工中心工作台的功率谱图。并将该功率谱图与模态分析结果相对比，给出加工中心的优化设计方案以及避免颤振现象的切削工艺参数。

2  模拟工况的设计

传统的机床零部件设计当中，零部件的种类和数量较多。本文结合着导轨的设计进程进行了详细的说明。首先先结合着卷尺对工作台进行基本的尺寸测量。为后续的有限元建模提供数据基础。根据绘制的基本图纸在Solid Works软件当中建立三维模型。并通过尺寸标注的形式对模型进行约束。完成基础模型的建立后使用凸台的拉伸命令对模型进行拉伸，最终完成机床的整机模型[3]。

2.1 机床零部件有限元模型的建立

①主轴。在SW软件建立完成模型后，通过ANSYS软件进行无缝衔接，导入到模型当中进行有限元分析。同时进行参数化的属性设置和参数设置，对部分边缘参数进行轻量化的设置，最大限度的减少软件分析时的运算和计算量，进而提升计算效率。其主要材料属性参数如表1所示。

②导轨。导轨模型的简化与主轴类似，这里就不作赘述。其主要材料属性参数如表2所示。

2.2 机床零部件模态分析

在主轴的计算进程中，需要重点进行模态的计算，依据此前的主轴设计边界条件作为弹性支撑，目的是进一步的模拟号主轴在实际环境当中与轴承之间的支撑关系。

同时导轨的模态分析与主轴的分析相类似，基于上述测试分析方法和测试系统对原有立式加工中心进行了详细的动力学模式识别研究。

3  立式加工中心整体模式识别

立式加工中心整体及相关分析模型和测量分布如图2所示。模型坐标系为机床标准坐标系。测试中分布63个三向加速度传感器测量其在随机振动环境下的振动响应，实验共分三组，其中1-6测试点为公共测试点。

同时将测试采集到的时程数据进行坐标变换等一些列处理后载入到模式识别软件中进行快速傅里叶变换，得到整体在非工作状态环境下的功率谱密度如图3所示，这里展示的是三组测试的功率谱密度图。

依据非工作状态环境下的功率谱密度情况，考虑到低阶固有频率相对比较容易与外部条件耦合，因此本项研究所有模态识别范围皆取至500Hz附近最为稳定。

4  加工中心工作台动态对切削性能的影响分析

机械部件的机械性能受到为解决现有机床产品动态性能不足的问题，本文基于有限元方法及动态性能测试与分析联合研发的新型高速立式加工中心，利用有限元分析得到机床零件的合理结构，通过动态性能测试与分析进一步优化机床整体结构，使得机床动态性能和稳定性得到了提高。其立式加工中心的主轴箱部分固有频率和阻尼比的识别结果计算结果如表3所示。

表3所展示的是主轴箱部分固有频率和阻尼比的识别结果，为整体分步测试整合后振型的模态置信准则值。从表3反映的是模态置信准则MAC的值，其数值基本在0.02-0.14之间，此时印证了振型优化整合质量。并且通过多次分析计算，将逐级机床装配体刚度对切削过程中刀尖变，进而有针对性地降低大件质量。对优化前后模型进行模态分析，验证了机床动态参数指标。结果显示，该方法可以有效对重型机床大件进行减重，对重型机床的轻量化设计有一定指导意义。根据模拟结果以及功率谱密度值可以总结出：①整体机床立柱刚度良好，在200Hz以内，主要振动部位为机床的底座（考虑为机床摆放位置不水平），200Hz之后，主要振动部件为主轴箱。②机床在配重1的情况下，立柱变现良好，底座振动明显，配重振动较大。③机床在配重2的情况下，四阶138.03Hz之前，立柱上半部位振动，主轴箱在四阶138.03Hz之后振动明显。④机床在S10000的情况，功率谱密度图相较与其他转速，功率谱密度大，在低阶的情况下，共振频率多，在实际测试中，转速在S10000时，发生振纹明显在转速为S25000的情况，进给在1500以下时，在300Hz存在功率幅值较为大的共振频率，考虑在此转速下进给变大。

5  结语

随着市场竞争的日趋激烈，轻量化设计理念越来越受到机床（尤其是重型机床）厂家的重视。对于重型机床而言，轻量化设计更多的情况是在设计中通过优化大件结构降低大件质量而达到节省原材料节约成本的目的。然而，如何进行优化、能减重到什么程度、原则是什么，却很难界定。对此通过某型号机床的装配结构进行有限元的模拟分析和实际的测算，进而有效的得到了各个参数设置对于机床切削刚度的影响。并依据实际的参数数据性能进行二次测量分析和验证。证明了通过本次设计的方法能够有效的达到提升刚度并且减轻重量的目的。进而有效的提升了机床的动态性能。

参考文献：

[1]李天箭，丁晓红，李郝林.机床结构轻量化设计研究进展[J].机械工程学报，2020，56（21）：186-198.

[2]朱军.基于有限元分析的高速精密数控机床床鞍机构设计[J].机械设计与制造工程，2020，49（04）：46-50.

[3]韩凤霞.高端数控机床服役过程可靠性评价与预测[D].机械科学研究总院，2020.