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五軸加工中（zhōng）心橫梁（liáng）的有限（xiàn）元分析及結構優化

2020-4-4 來源：三明醫學科技職業學院機械電子係作（zuò）者（zhě）：邱（qiū）曄明

摘要: 針對某型五軸加工中心（xīn）中橫梁的結（jié）構特點（diǎn），運用有限元優化設計方法，建立（lì）了加工中心橫梁的有限元計算模型，通過靜力分析和模態分析（xī），模擬機床在極限狀態下的受力變形和振動情況（kuàng），確定了（le）機（jī）床橫梁（liáng）對其工作狀態的影響，指出了（le）機床橫梁的薄（báo）弱環節。通過機床結（jié）構優化提高了（le）機床整體的（de）工作性能，為機床其它支承（chéng）部件的優化（huà）設（shè）計提供了可（kě）借鑒的方法（fǎ）。

關鍵詞: 五軸; 加（jiā）工中心; 橫梁（liáng）; 有限元; 優化（huà）

隨著科學技術的不斷進步，各領（lǐng）域對（duì）不同材質的零件結構的複雜多樣性要求也不斷提高，多軸聯動機床越來越成為必不可少的加（jiā）工設備。經過多年的（de）發展，五（wǔ）軸聯動加工機床在結構（gòu）形式上開發出許多不同類型，根據旋轉軸（zhóu）設置不同，主要分為工（gōng）作台雙擺（bǎi）轉台式、一（yī）擺頭一轉台式、雙（shuāng）擺頭式等［1 － 2］。典（diǎn）型的雙擺台式加工中心有德（dé）國（guó）巨浪的

單（dān）主軸（zhóu）雙擺搖籃式高速五軸聯動立式加工中心MILL FX 800，牧野機床（chuáng）( 中國) 有限公司（sī）的（de） D800Z五軸立式加工中心等;典型的一擺頭一轉台式加工中心有大連科（kē）德生產的（de） KTurboM3000，適用於大型核電葉片、飛機起落架等大型複雜型麵零件加工，是國（guó）產最大規格葉片加工機床;雙擺頭式五軸聯動加工中心雙擺頭多用於龍門（mén）五軸聯動加工中心，如北一機床的 XKAS2525WU 五軸（zhóu）聯動橫梁移動式龍門加工中心。本文中研究的五軸加（jiā）工中心（xīn）正是雙（shuāng）擺頭式龍門五軸聯動加工中心，其三個直線軸均為直線電機驅動，A/C 雙（shuāng）擺銑頭均為力矩電機驅動，整體結構采用輕量化設計，具有高速（sù）和高（gāo）加（jiā）速的優異性（xìng）能。

Simulation 是 SolidWorks 公司開（kāi）發的一種功能（néng）強大的有限元分析工（gōng）具軟件。它作為（wéi）嵌入式分析軟件（jiàn）與 SolidWorks 無縫集成，成為了頂級的（de）銷量產品［3］。運用 SolidWorks Simulation，一般的工（gōng）程技術（shù）人員就可以進行產品分析，並快速（sù）得（dé）到相應的計算、分（fèn）析（xī）結果，從而極大地縮短了新產品（pǐn）的設計周期，降低了試驗（yàn）成本，提高了產品質量，並最終獲得更大的利潤［4］。本研究采用 solidWorks 對此機床進行設計建模，並運用 simulation 有限元分析模塊對機床中重要零件（jiàn）橫梁進行了（le）靜態和模態分析。

1 、機床的基本結構及參數

該機床為（wéi）雙擺頭龍門框架式結構，見（jiàn）圖 1，工作台作前後移動，主軸在橫梁上做橫（héng）向移動和垂直移動，整機由床身工作台、橫梁、A 軸、B 軸、中拖（tuō）板、電氣及數控係統、光（guāng）柵反饋係統、氣動係統、冷（lěng）卻係統、過濾係統、潤滑係統（tǒng）等部分組成，具體技術參數詳見表 1。

圖（tú） 1 雙（shuāng）擺（bǎi）頭龍門框架式五軸加工中心

表 1 機床的主要技術參數

2 、橫梁的機械特（tè）性

橫梁是該機床連接主軸拖（tuō）板和基座（zuò）的重（chóng）要零件，主軸箱沿 X 軸方向的運（yùn）動正是通過安裝在拖板和橫梁間的線（xiàn）軌來實現的，在工作過程中橫梁（liáng）承受了主軸箱各部件重力、切（qiē）削力等複雜的載荷，這些載荷將（jiāng）影響線（xiàn）軌的運行精度，從而影響到整體的加工精度。

橫（héng）梁整（zhěng）體為龍門結構，內部為（wéi）中空（kōng）的筋（jīn）板結（jié）構，材料為灰口鑄鐵 HT250，材料特性各向同性，楊氏模量 120GP，泊（bó）鬆比 0． 25，材料密度（dù） 7300kg /m3。在完成橫梁的結構設計後，可在 SolidWorks 軟件中啟用有限元分析模塊 Simulation，建立新算例，將（jiāng）橫梁的材料特（tè）性添（tiān）加進算例模型中。

3、載荷與約束

在機床工作過程中，隨著主軸位置的移動，其各載荷的作用點和方向都隨之發生變化。為了測試其在極限工況下的狀態，選擇（zé）主軸箱移動到橫梁（liáng）中間位置，取主軸輸（shū）出最大扭力時作為驗證分析的條件(最大輸出扭矩 14． 1nm)。

以橫梁底部中心（xīn）作（zuò）為原點，建立參（cān）考坐標係（xì），利（lì）用（yòng） Solidworks 軟件中的質量評估功能，測算出加載在橫梁上各個部（bù）件的重力總和為 27000kN，重心位（wèi）置為 ( X = － 65． 93mm，Y = － 507． 16mm，Z =1027． 42mm) 。將（jiāng）各（gè）項載荷以參考坐標係坐（zuò）標加載到主軸箱與橫梁的接觸麵上。

該零件在裝配中以 12 顆螺栓連接到底座上（shàng），實際約束為底（dǐ）部螺栓周圍的接觸麵。根據（jù）常識，該零件（jiàn）的變形應集中在橫梁橫跨的中央，底部（bù）的約束情況對變形集中處的影響微乎（hū）其微(根（gēn）據聖維南（nán）原理（lǐ），荷載的具（jù）體分布隻影響（xiǎng）荷載作用區附近的應力分布)，將整個底（dǐ）麵以固定幾何體的形式進（jìn）行約束，這樣簡化可以減少一部分運算量，又不影響分析結果。

4 、網格劃分

網格劃分是有限元分析前處理中的一（yī）個關鍵步驟，如何進（jìn）行有效的網格（gé）劃分，既（jì）保證計算的精度，又能提高計算效率。網格的類型和大小是影響分析精度和運算效率的關鍵因素。為（wéi）了減少運算量，提高分析精（jīng）度（dù），把對分析（xī）結果影響不大的微小特征刪除，如螺（luó）紋孔、倒（dǎo）角（jiǎo）等。由於該零件結構不十分複雜，故選取實（shí）體網格，雅克比 4 點，初步選取網格密（mì）度為中等（děng），劃分（fèn）出 22942 個單元（yuán），44171 個節點，網（wǎng）格大小（xiǎo）為 89． 4mm。要判斷（duàn）網格精（jīng）度是否滿足（zú）分析需求，還需要通過進一步的判斷（duàn）。根據初步計算結果，應力主要（yào）集中在橫梁下方孔的拐角處，此（cǐ）處模型經過簡（jiǎn）化，原來Ｒ10mm 的（de）圓角被刪除（chú），因（yīn）此該應力數值與工程實際不相符。為得到準確的分析結果，必須將原模型中的圓角還原，並在該圓角角處添（tiān）加局（jú）部單元控製(根據（jù）聖維南原理，隻需在應力集（jí）中處采用單元局部加密)，單元大小（xiǎo）必須小（xiǎo）於圓角半徑的 1 /2。通過兩次分析（xī），分別把圓角處加密的網格（gé）大小設為 4mm 和 5mm，比率為1． 3( 單元以 1． 3 倍的比率逐步增大過渡)，根據單元大（dà）小判別（bié）公式。

該結果小於 5% ，說明分析結果收斂（liǎn），網格劃分滿足分析要求。此時，單元總數 31499 個，節點數 58783 個。

圖（tú） 2 網格劃分及載荷

5、靜力及（jí）模態分析

由於該算例中，無裝（zhuāng）配接（jiē）觸問題，故選用 FFE-Plus 求解器( 如有接觸問題可選用 Direct Sparse 解算器（qì）)。如圖 3 所示，在靜力分析算例中，將切削力和各部件重力以移出載荷的形式分別加載到模型上（shàng）。通過運算分析（xī）結果可以看出，橫梁中段靠外的一側（cè）變形較大，達到 27μm。按照設計要求（qiú），橫梁變形必須控製在 20μm 以（yǐ）內。因此，必須通（tōng）過結構優化，提高其靠外一側的結構剛性，減小其受力變形的（de）程度。

圖 3 靜力分析模型

如圖 4 所（suǒ）示，通過 Simulation 的模態分析功能，分析出該（gāi）零的各階固有頻率在 205Hz 至 594Hz之（zhī）間。其頻（pín）率範圍遠離機床主軸振動（dòng）頻率(1500Hz)及自然振動頻率(≦ 30Hz)，能較好地避免共振。

圖 4 各階振動頻率

6 、結構（gòu）優化及驗證

根據該零件的結構特點，為了提高該零件的（de）剛性，使之達到設計要求，增加筋板和外（wài）壁厚度是提升剛性、減小變形的（de）最為（wéi）直接有效的方（fāng）法。如圖 5所示，將橫梁外層鋼板厚（hòu）度由 25mm 增加至 30mm，內部筋板厚度由 20mm 增加至 25mm，同時適當（dāng）加高橫隔筋板高度。

圖 5 筋板結構優化

將優化後的模（mó）型重新導入 Simulation 進行驗證，最（zuì）大變形位移為 17μm，控製在了（le） 20μm 以內，達到了設計要求。

7 、結論

五軸加工中心作為高精密加工設備（bèi），其工藝（yì）係統的剛性將直接影響到加工精度。為準確找出設（shè）計中的薄弱環節，提（tí）出可行的優化方案，研究運用SolidWorks 中的 Simulation 有限元分析模塊，對（duì）機床橫梁的（de）數（shù）字模型進行靜力（lì）和模態分析，得出了該零件的靜力和（hé）振動模（mó）型。根據變形和振動數據，直觀地分（fèn）析出該零件在極限（xiàn）工作狀態下的動態性能，找到了影響零件剛性的關鍵因素，為機床橫梁結構的優化設計提供了依據。通過對機床橫梁筋板和外壁結構的加強，提高了（le）零件剛性，減少變形，使之達到設計要求。

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