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動梁龍門加工中心橫梁結構設計與優（yōu）化

2018-10-23 來（lái）源：南通大（dà）學機械工程學院作者（zhě）：郭（guō）琳娜，鄭天（tiān）池，鞠家（jiā）全，孫小剛，邱自學

摘要: 橫梁結構設計的品質在很大程度上決（jué）定了動梁龍門加工中心的（de）剛度和強度性能; 橫（héng）梁結構中加強筋的設計與布局直接影響橫梁的靜 /動態特性。基於有限元法對動梁龍門加工中心的橫梁進行靜 /動態分析，獲得了橫梁在極端工況下的變形情況以及橫梁結構的前六階固（gù）有頻率與（yǔ）振型。結果表明，十字形加強筋難以滿足實際（jì）工作要求（qiú），因此將（jiāng）加（jiā）強筋結構改成米字形，使橫梁的變形量減少了 20． 265% ，一階（jiē）模態頻率提高了 4． 405% ，表明該優（yōu）化設計（jì）方法合理可行（háng），為橫梁的結構設計提供了理論依據。

關鍵詞（cí）: 龍（lóng）門加工中心; 橫梁; 靜/動態; 加強（qiáng）筋

0 引言（yán）

隨著工程機（jī）械、軌（guǐ）道交通以及航空航天等行業的迅速（sù）發展，各（gè）類大、重型複雜零件被（bèi）廣泛地應用於機械裝（zhuāng）備中，對零件的加工精度提出了更高的要求，同時（shí）也增加了加工難度。龍門（mén）加工中（zhōng）心作為加工機械產品的主力機床，不僅加工（gōng）效率高，而且具有良好的（de）性價比和較高的自動化程度，在高端機械製（zhì）造業中（zhōng）發（fā）揮（huī）著重要作用。

作（zuò）為動梁龍門加工中心（xīn）的（de）主要支撐部件，橫梁結構（gòu）設計的合理與否將直接影響（xiǎng）到機床的製造成本和整（zhěng）體性能。

通過改進橫梁的結構來提高動梁龍門加工中心（xīn）的整體性能成為了眾多學者研究的重點。提出了一種（zhǒng）新型橫梁設計構想———拱（gǒng）型預緊（jǐn）結構橫梁;文獻］以橫（héng）梁（liáng）的總體積為目標函數對橫梁結構進行優化; 對（duì）不同截麵形狀的（de）橫梁（liáng）在特定方向的剛度大小進行了分析（xī）對比。

以上研究均為橫梁的結構改進提供了設計思路與（yǔ）研究方向，對橫梁加強筋（jīn）位置和樣（yàng）式（shì）的優化更是（shì）成為了研究的熱點。

本文通過對橫梁加強筋樣式的改進來優化橫梁的靜 /動態特性，對橫（héng）梁的（de）結構改進具有良好的實際應（yīng）用價值。

1 、動（dòng）梁龍（lóng）門加工中心的總體結構設（shè）計

1． 1 動梁龍門加（jiā）工中心的結構（gòu）特點

根據（jù）目前龍門（mén）加（jiā）工中心的（de）研究現（xiàn）狀和現代機（jī）械產品生產製造的需求，對動梁龍門（mén）加工中心的總體結構進（jìn）行了設計。所設計的（de）加工中心為橫梁上下移動式框架結構，采（cǎi）用雙立柱固定支撐（chēng）的形式，其運動形式包括（kuò） 4 個進給軸和 1 個旋轉軸，4 個進給軸包括工作台沿床身前後移動的 X 軸、滑座沿橫梁（liáng）左右移動的Y 軸（zhóu）、滑枕沿滑座上下移動（dòng）的 Z 軸（zhóu）和橫（héng）梁沿雙立柱下移動的 W 軸，旋轉軸指主軸。

1． 2 加工功能分析

動梁龍門加工中心具備高（gāo）速、高精密的切削加工特征，不僅能夠加工普通中小型金屬件、3C 產業零件、精密零件及模具等批量零件的外形、型腔，還能（néng）借（jiè）助自動程序編製技術加工各種大、重（chóng）型複雜零件，實現切削（xuē）槽、鑽孔和攻絲等工（gōng）序的加工，現已（yǐ）被廣泛應用於航空航天等重要領域。

1． 3 動梁龍門加工（gōng）中心的主體結構

動梁龍門加工中（zhōng）心（xīn）主要由床身、工作台、雙立柱、固定梁、橫梁、滑座和滑枕等部件（jiàn）組（zǔ）成。動梁龍（lóng）門加（jiā）工中（zhōng）心的整體結構如圖 1 所示。

圖 1 動梁龍門加（jiā）工中心整體結（jié）構

由圖 1 可知，動梁龍（lóng）門加工中心（xīn）的橫梁結構由雙立柱支撐，同時承載著滑座、滑枕等部件，滑座（zuò）沿橫梁導軌左右運動，滑枕在滑座上做上下運動。當滑座（zuò）處於橫（héng）梁的中間位置，滑枕運動到最低（dī）點時，橫梁會產生最大（dà）的彎曲變形。本（běn）文（wén）設計的橫梁結構具有如下優點。

1) 橫梁（liáng）的上下移動（dòng）可以實現細長型零件和複雜結合麵的加工，間（jiān）接（jiē）擴大了切削範圍。

2) 橫梁與雙立柱的（de）接觸導軌麵處做了貼塑處理，極大減小了摩擦阻力，且減振性能良好，能有效（xiào）防止低（dī）速爬行現象的（de）發生，使運（yùn）動（dòng）平穩進行.

3) 橫梁兩側均設有刹鐵和壓板來調整橫梁與立（lì）柱的接觸麵，保證導軌處的可靠接觸，提高橫梁精度（dù）。

2 、橫梁（liáng）的靜 / 動態（tài）分析

2． 1 網格劃分

橫梁為鑄造件，材（cái）料為 HT250，材料屬性設置為:彈（dàn）性模量取 1． 3 × 105MPa，泊鬆比（bǐ）取 0． 27，密度取7 200kg / m3。網格劃分的情況（kuàng）直接影響有限（xiàn）元分析的速度和精度，綜合各影響因（yīn）素，采用 solid45 單元結構，單元大小設置為 100mm。將橫梁結構導入有限元分析軟件（jiàn） ANSYS Workbench 中（zhōng），運用自由網格劃（huá）分的方式得到橫梁（liáng）組件的有限元模型（xíng），橫（héng）梁的網格劃分圖如圖（tú） 2 所示。

圖（tú） 2 橫梁的（de）網格（gé）劃分圖

2． 2 約束與載荷

忽略與橫梁接觸（chù）的各部件間的接（jiē）觸麵變形，將各結合麵（miàn）近似看作（zuò）剛性接觸。橫梁下（xià）端兩側通過滾珠絲杠（gàng）螺（luó）母支撐，後側由液壓夾緊機構夾緊固定，約束時向橫梁對應的（de）貼（tiē）合麵施（shī）加固定約束。由力學分析可知，當滑座部分（fèn）移動到（dào）橫梁的中間位置時，橫梁所承受的負荷最大，因此，將滑枕、滑座以及主軸部分的重量作（zuò）為載荷全部施加到橫梁相應的導軌麵上。

2． 3 靜力學（xué）分析

靜態剛度是（shì）一個判斷結構優劣性的基本（běn）指標，結構的最（zuì）大變形量可在極限載荷的情況下得到。動梁龍門加工（gōng）中心橫梁的（de）受（shòu）力結構為兩（liǎng）點簡支（zhī）梁支撐形式，重力（lì）和加工時的（de）切削力是造成（chéng）橫梁變形的主（zhǔ）要原因。此外，當橫梁上的滑座部分沿導軌移動時，也會引起橫梁不同程度的（de）彎曲變形; 同時滑座部分的重（chóng）力偏置還會引（yǐn）起橫梁的扭轉變形（xíng）。

對於大型和重型機床，移動件的重量大，切削（xuē）力也很大，因（yīn）此進行受力（lì）分（fèn）析時，必須同時考（kǎo）慮移動件重力和切（qiē）削力等載荷的共同作用。假定橫梁處（chù）於（yú）最危險（xiǎn）狀態，即（jí）滑座部分位於橫梁中部時，通過有限元分析得到（dào）的橫梁位移變形雲圖如圖 3 所示（shì）。

圖 3 橫梁位移變形雲（yún）圖

由圖 3 可知，橫梁最大位移變形量為41． 021μm。由於橫梁（liáng）變形主要為彎曲和扭轉變形，這將導致滑枕與主軸偏移正確的位置，對加工精度產生較大影響。

2． 4 模態分析

動梁龍門加工中心在（zài）工作（zuò）過程中，除了受到靜載荷（hé）的作用，還受（shòu）到（dào）包括斷續切削（xuē）、材料硬度或加工餘量的變化以及回轉零件不平衡等引起的動態力的共同作（zuò）用，因此會對加工（gōng）中心（xīn）產生擾動。

當（dāng）振幅超過允許值時，會使刀具磨損嚴重，加工表麵質量下降，影響加工精度，降低生產效率，甚至導致加工中心不能正常工作。加（jiā）工中心的振（zhèn）動可以分為自（zì）激振動和受迫振（zhèn）動，找（zhǎo）出其動態剛度低的薄弱環節，能（néng）夠提高抵抗受迫振動的能力，為加工中心的結構設（shè）計提供理論依據。

考（kǎo）慮（lǜ）到動（dòng）梁龍門加工中心的結構動態特性將影響到其（qí）加工（gōng）精度和穩定性等技（jì）術指標，同時，加工中（zhōng）心的前幾階模態特性（xìng）及其切削係統的工作頻率對切削性能（néng）也具有重要的影響

，運用有限元分析軟（ruǎn）件對橫梁進行模態分析，取前六階模態頻率進（jìn）行研究（jiū）。橫梁的一階模（mó）態振型雲圖如圖 4 所示，橫梁的前（qián）六階模態頻率如表（biǎo） 1 所示。

圖 4 橫梁的一階模態振型雲（yún）圖

表 1 前六階模態頻率 Hz

由圖 4 和表 1 可（kě）知，橫梁的振動頻率較（jiào）小，一階振動頻率為 83． 747Hz，當外界激振頻率與一階振動頻率相近時，係統易發生共振現象，造成（chéng）橫梁的（de）損壞斷裂，不利於實際的生產加工，因此對橫梁（liáng）的結構進行了改進。

3 、橫梁的結構（gòu）改進

由（yóu）橫梁的靜/動態分析結果可知，加（jiā）強筋對橫梁本身的性（xìng）能影響較大，根據對角筋板理論（lùn）得出目前采用（yòng）的十字形筋板難以滿足實際加工要求; 因此，應對加強筋的樣式進行改進，以提高橫梁的（de）靜（jìng）/動態特性，進而改善龍門加工中心的整體性能。

通過改進結構尺寸和筋板布置可以提高結構的（de）靜/動態特性。為了使改進後的橫梁便於裝配，不改變結構尺（chǐ）寸，隻改（gǎi）變內部筋（jīn）板布置，根（gēn）據（jù）對（duì）角筋板抗扭（niǔ）理論，將橫梁內部筋板結（jié）構改為（wéi）米字形。改進方案為: 筋板厚度不變，將原來橫向與（yǔ）縱向垂直交叉的十字形結構（gòu）更（gèng）改為斜筋構成的（de）米字形結構。改進（jìn）前的橫梁加強筋結構（gòu）如圖 5 所示，改進後的橫梁加（jiā）強筋結構如圖 6 所示。

圖 5 改進前的橫梁加強筋結構

圖 6 改進後的（de）橫梁加強筋結構

4 、改進前後分（fèn）析（xī）

對改進後的橫梁進行靜/動態特性分析，得到橫梁的總變形量雲圖，如圖 7 所示（shì），同時得到橫梁一階（jiē）模態振型雲圖，如圖（tú） 8 所示。

圖 7 改進後橫梁（liáng）的總變形量（liàng）雲圖

圖 8 改進後一階模態（tài）振型雲圖

改進後的橫梁最大變形量為 32． 708μm，較改進前的（de）最大變形量減少了 20． 265% ; 一階模態頻率為（wéi）87． 436Hz，較改進前提高了 4． 405% 。改進後的橫梁靜/動態特性取得了較理想的效（xiào）果。改進前後橫梁的靜/動（dòng）態特性對比結果如表 2 所（suǒ）示。

表 2 改進前（qián）後橫梁靜/動態特性對比結果

由表（biǎo） 2 可知，改進後的橫梁位移變形量顯著降低，一階模態頻率提高，總體性能優越。

5 、結語（yǔ）

1) 通過對極端工況下的橫梁進行靜 / 動態特性分析，發現加強筋的樣式對橫梁的影響較大，十字（zì）形結構的加強筋難以滿足加工要求，需要進行（háng）結構改進。

2) 根據對角筋板理論，將橫梁筋板改進成米字形結構，得到橫梁（liáng）總變形量的最大值為 32． 708μm，比改進前（qián）減少了 20． 265% ，改進後滿足設計（jì）要求。

3) 通過對改進（jìn）後的橫（héng）梁進（jìn）行模態分析，獲得橫梁的前六階固有頻率及振型，一階模態頻率提高了4． 405% 。

4) 綜合分析改進前後橫梁的靜 / 動（dòng）態特性，發現改（gǎi）進後橫梁的整體性能顯著提高，表明該優化設計方法合理可行，為橫梁的結構（gòu）設計提（tí）供了理論依據。

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