摘 要：橫（héng）梁（liáng）是龍門加工中心機械結構中關鍵的部（bù）件，其靜動態特性直接影響（xiǎng）龍門加工中（zhōng）心的性能以及加工質量（liàng）。分析了龍門加工中心結（jié）構的特點，運用有限元（yuán）分析法對橫梁結構靜動態（tài）特性（xìng）進行了分析，根據分析結果，優化改進設計了該龍門加（jiā）工中心橫梁結（jié）構，以能進一步提高其加工質量。
 
      關鍵詞：加工中心（xīn）；橫梁；結構；優化設計
 
      近幾年，隨著我國航空航天、汽車（chē）、鐵路（lù）、機床行業的不斷（duàn）發展，龍（lóng）門加工中心機床以加工質量高、跨度大、剛度高以及效（xiào）率高等諸多優點已經成為製（zhì）造行業中大型零件加工的核心。而龍門加工中心性能的好壞將會直接影響零件加工的質量以及加工的精度。龍門加工中（zhōng）心（xīn）橫梁部件的靜態特性（xìng）和動態特性是影響加工中心性能的主要（yào）因素[1]。因此，對現有的橫（héng）梁結構作（zuò）一些優化（huà）改進，以達到龍門加工中心對橫梁的要求成為當前亟待解決的問題。本文運用有（yǒu）限元分析法對（duì）橫梁結構進行了（le）動靜態（tài）進行分析，最終得到了橫梁結構的優化設（shè）計改進方（fāng）案。
 
      1 、龍門加工中（zhōng）心以及橫梁部件的結構特點
 
     龍門加工中（zhōng）心主要由工作台、主軸箱以及冷卻箱、橫梁（liáng）、滑枕以及滑座等零（líng）部件組成，整體結構圖如圖 1 所示。此加工中心（xīn）主要由雙牆式側梁結構（gòu）支撐（chēng）橫梁。其中橫梁部件（jiàn）主要包括主軸箱、滑鞍以及主軸和橫梁等零部（bù）件，其主要沿著雙牆式側梁（liáng）上的導軌實現進給運動（dòng），進給運動方向主要為 X 軸（zhóu）運動方向。橫梁部件還承載著滑枕以及（jí）滑座等部件，其中滑枕主要（yào）在滑（huá）座上進（jìn）行（háng）上（shàng）下運動，而滑座在橫梁上主要（yào）沿著導軌進行左右運動。在（zài）龍門（mén）加工中心（xīn）作業過程中，當滑枕運行到最低點，滑座處於橫梁的中間位置時，橫梁的彎曲（qǔ）變形能力將達到最大，從而對橫梁部件形成集（jí）中載（zǎi）荷，導致橫梁產生最大的彎曲變形。另外，為了保證快速（sù）準確的加工，在作業（yè）時，橫梁部（bù）件會受到自身重力以（yǐ）及（jí）加工過（guò）程（chéng）中產生的加減（jiǎn）速慣性力和（hé）複雜切屑（xiè）力的作用（yòng），橫梁（liáng）部件成（chéng）為較為薄弱的環節。因此，有學者提（tí）出（chū）[2]，橫梁作為龍門加工中心最為關鍵的部位，隻（zhī）有保持良好的（de）動態性能和靜態性能，才能夠實現大（dà）重型工件的加（jiā）工和（hé）保證其達到高速（sù）運（yùn）轉的要求。
 

      圖 1 龍（lóng）門加工中心整體結構簡化（huà）圖
 
      2 、基於有限元分析法的橫梁結構的靜動（dòng）態分析
  
      本文重點研究龍門加工中心橫梁部件最大彎（wān）曲變形時的狀態。通過運用三維軟件 Soid Works 進行構建實體模（mó）型，在實體模型構建的過程中，為了保證運（yùn）算效率以及運算精度，對橫梁相關組件進行的簡化，最後（hòu）通過采用有限元分析軟（ruǎn）件對橫梁結構（gòu）的動靜態（tài）特性作了詳細分析。
 
      2.1 橫（héng）梁模型的構建
   
     基於（yú） So id Works 構建的實體模型，其中橫梁（liáng）、滑座等為鑄造件，設置（zhì）材料為 HT250，材（cái）料屬性設置為：密度 7 200 kg/m3，泊鬆（sōng）比 0.27，彈性模量 1.3×105 MPa.將裝配好的橫梁結構實體模型導（dǎo）入 ANSYSWorkbench 有限元分（fèn）析軟（ruǎn）件中，然後通過運用有限元分析元件對橫梁結構進行（háng）網絡劃分。由於網格的劃（huá）分好壞將會直接影響（xiǎng）有限元分析軟件計算的速（sù）度和精（jīng）確度[3]，基於此本研究主要通過運用 Solid45 單元結構，其中（zhōng）單元結構設（shè）定在 80mm，最後通過采用自由網格劃分法，最（zuì）終得到橫梁部件的有限元模型，如圖 2 所示。
 
    其中自由網格劃分屬（shǔ）於自動（dòng）化程度最高的網格劃分技術之一，其不僅可在麵上自動生成三角形或四邊（biān）形的網格，同時在體上也能自動生成四麵體網格，既省時間又省力[4]。另外在網格劃分的過（guò）程，為了保證運算的精度和效率，僅僅保留了橫梁（liáng）和立柱及（jí）其相關零部件，以簡化模型。同時還應將三（sān）維型中的倒角、倒圓、凸台等小特征忽略掉（diào），並采用
平麵化和直線化對三（sān）維模型中的小（xiǎo）曲率曲（qǔ）麵和小錐度進行處理。
  
  

    
  
     圖 2 橫梁部件的有限元模型
 
     2.2 約束與（yǔ）載荷（hé）分（fèn）析
 
     由於橫梁與立柱之間主要采用螺栓連接，對橫梁的約束（shù）主要是通（tōng）過對橫梁上與固定螺栓位置相對應的螺紋孔的自由度作為條件，也就是通過固定螺栓相對應的螺紋孔的自由度達到對橫梁的（de）約束。同時還應在橫梁彎曲變形最大的位置處進行（háng）施加載荷，最後根據力學模型計算出載荷力所轉化成的壓力，並作用在工作麵上，施加自身重力。另外，橫梁部
件在作業的過程中，其（qí）所承受的力包括自身重力、切屑（xiè）加工過程中的切屑力、固定部件和移動部件相對運動過程的摩擦力、慣性力、振（zhèn）動（dòng）幹擾力以及各部件加工中所產生的熱應力等。為了方便計算分析，在分析的過（guò）程中，將橫梁組件各接觸變形看做剛性接觸，通過運（yùn）用布爾運算[5]將橫梁各組件之間（jiān）作為一個整體（tǐ）。而將橫梁組件的自身重力看作（zuò）為施加的載荷；切屑力隻考慮（lǜ）主軸係統 X 向切屑力；最後通過進行有限元分析。
 
     2.3 結果分析
   
     龍門加工中心靜力學分析的目的主要是為了對加工中心靜剛度的確定。本（běn）研究所（suǒ）分析的龍門加工中心的橫梁受力部件主要（yào）為簡支梁支（zhī）承形（xíng）式，而導致（zhì）橫梁的變形的關鍵因素為切屑力和自身重力，因此在橫梁結構的靜力學分析（xī）的過程中，不僅需要（yào）考慮橫梁自身重（chóng）力產生的（de）靜態（tài）變形（xíng），同時橫梁結構（gòu）上的滑塊（kuài）、滑枕在運動的過程中也容易造成橫梁彎曲（qǔ）
變形。由於橫梁結構受（shòu）到多方麵的載（zǎi）荷（hé），因此（cǐ）在受力分析中通（tōng）過運（yùn）用有限元分析軟件可以得到橫梁結構的總位移變形量以（yǐ）及各組件的變形量 其中分析結果如下表 1 所示。
 

     通過對橫梁結構的受力情況進行分（fèn）析得知，橫梁總位移變形量占 40.34%，而橫梁結構的變形主要為彎（wān）曲變形（xíng）和扭轉變形，橫（héng）梁結構的變形不僅會導致主軸發（fā）生位移偏差，同時對龍門加工中心的加工質量和加工精度（dù）也（yě）將會帶來極大的影響。同時通（tōng）過采用有限元模型對橫梁模態分析的結果進一步研究顯示，橫梁（liáng）結構主要模態頻率以及振動類型主要如下表 2 所示。
  
    
  
    通過上述結果可以得知，橫梁（liáng） 1~6 階的頻率中（zhōng），1 階最低，說明此階段為橫梁結（jié）構動態性能最差的一個環節，若要有效地提（tí）高橫梁組（zǔ）件的動態性能，必須（xū）對橫梁結構進行優（yōu）化改進。
 
    3 、橫梁結構改進（jìn）設計
 
    3.1 橫梁結構的改進方案
 
    通過上麵的對於橫梁的靜動（dòng）態分析（xī）可知，橫梁為最薄弱的環節，需要（yào）加強以適應整機的高速運轉，橫梁一階振動頻率比較低，振（zhèn）動主要為局部的加強筋振動，說明加強（qiáng）筋比較薄弱，需要進一步的加強。為了保證龍門加工中心橫梁的特點、操作的簡單化以（yǐ）及改進成本（běn）的最小化和改進效果（guǒ）的最大化，我們在對橫梁結構（gòu）進行優化改進（jìn）中，僅僅對橫梁結構內
部（bù）的筋板布置情況以及受力情況（kuàng）進行設計，通過將橫梁（liáng）內部筋板有原來十字型改為 V 字（zì）型結果，而對於橫梁結構的外部結構尺寸未作相應（yīng）的（de）調整。具體的改進方案為：保持板筋的厚度 20 mm 不（bú）變，將原來的（de）十字形板筋（jīn）結構改為 V 形結構，改進後的質量由solid works 分析得到結果比原來的質量少了 20 kg，改進後的（de）質量為 4730 kg. 其中改進前後的橫（héng）梁結構如下圖 3 和（hé）圖 4 所示。
  
  

   
     圖（tú） 3 改（gǎi）進前橫梁筋板布置圖
 
 

      圖 4 改進後橫梁筋（jīn）板布置圖
 
    3.2 改進前後的靜動態性能的對比（bǐ）
 
    對於改進後的橫梁組件利用有限元分析軟件進行靜動態分析。結果顯示：改進後橫梁結構（gòu） 1 階頻率從原來的（de） 48.1 Hz 提高到了 58.2 Hz，相比改進前提高了大約有 17.4%，而最大變形量也（yě）比改進前減少了（le）大約 7.5%.由以（yǐ）上的結果可（kě）知，改進（jìn）後橫梁組件的頻率得到了很大的提高（gāo），利用（yòng）有限元分析軟件分析的（de）結（jié）果（guǒ）改進後的橫梁組件達到了（le）預期的效果。
 
    4 、結束語
 
    本文利用有限元分析軟件對橫梁結構（gòu）的靜動態（tài）分析，從而找到了（le）橫梁組件（jiàn）中（zhōng）的最薄弱的部分——橫梁。橫梁在整個橫梁組件（jiàn）中的變形量最大，且一階頻率較低，針對橫梁現有的這兩個問題，本文提出了改進方案，即把橫梁內部板筋的（de）結構從十字形改為V 形，保持原來的尺寸不變（biàn）。改進後的（de）橫梁組件各項測試指標相比之前都更加的合理，更加的（de）理想化，能夠（gòu）滿足龍（lóng）門加（jiā）工的高速、高精度的（de）要求。本文中橫梁結構的設計（jì）優化方案是根據實（shí）際的理論分析得到的，利用軟（ruǎn）件工（gōng）具得到了準確的數據，為橫梁結構優化設計提供了（le）理論依據。對於一些與橫梁類似的部件的結（jié）構（gòu）設計（jì）優化具有借鑒意義（yì），由於該方案的操（cāo）作（zuò）便捷具有可實施性，在龍門加（jiā）工中心機床的優化中（zhōng）有實際的應（yīng）用意義。