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定梁式數控龍門鏜銑床橫梁結（jié）構優化設（shè）計

2015-8-25 來源：數控機（jī）床市場（chǎng）網作者：貴州大學機械工程尹宏孫棟張萍楊旭東

尹宏孫（sūn）棟張萍楊旭東(1.貴州大學機械工程學院；2.貴州理工學院機械（xiè）工程（chéng）學（xué）院（yuàn）；3.貴州民族大學理學院機械係）

摘要：將CAD、CAE平行進（jìn）行的思想引入企業實際生（shēng）產中，針對XK2430定梁式數控龍門鏜（táng）銑床實際工況以及性能要求，就其（qí）關鍵支承件橫梁進行分析研究及優化設計，並驗證其可行性及合理性，確定優化橫梁的最終結構。

關鍵（jiàn）詞（cí）：橫梁；有限元分析；優化設計

0 引言

橫梁是龍門（mén）機床的重要部件，橫梁體三維（wéi）模型（xíng）如圖1所示，橫截麵剖（pōu）視圖如圖2所示。其（qí）本身是一個彈性係統，且跨距（jù）較大，在重力、切削力、夾緊（jǐn）力等（děng）的（de）作用下，除了產生零件自身變形外，還引起溜板、滑枕（zhěn）等零件各接觸（chù）麵之（zhī）間的接觸變形，各部分變形綜（zōng）合作用的結果使得刀尖軌（guǐ）跡發生變（biàn）化，造成刀（dāo）具和工（gōng）件（jiàn）的（de）相對位移，從而影（yǐng）響加工精度（dù）。

在實際工況中，橫梁兩端分（fèn）別與左右立柱緊（jǐn）固（gù），溜板與橫梁結合的上導軌（guǐ）麵采用滾動塊（kuài）與蝶簧組合，溜板後壓板麵及溜板與橫梁結合的內導軌麵鑲滾動塊，其他導軌結合麵貼氟塑軟帶（dài），由交流伺服電機及滾珠絲杠螺母副驅動溜板水平移動。滑（huá）枕及溜板結合導軌采用聚四（sì）氟乙烯軟帶滑動導軌，由交流伺（sì）服電機帶動滾珠絲（sī）杠旋轉（zhuǎn），實現滑枕沿溜板導軌作上、下移動，如圖3所示。

1 建立有限元模型

在做有限元分析時，通常要對幾何模型進行適當簡化，否則將（jiāng）大幅度增加網格數（shù）量、延長計（jì）算時間，甚至導致計算結果錯誤或無法（fǎ）收斂。因（yīn）此，在保證分（fèn）析精度的前提下，為了（le）盡量降（jiàng）低（dī）計算（suàn）成本（běn），本文對（duì）研究對象進行了適當的簡化（huà）。在此基（jī）礎上依次定義部件材料（liào）、相互接觸關係及載荷（hé），並劃分網格（gé）。裝配體網格模型如圖4所示（shì）。

2 有限（xiàn）元分析

分別研究橫梁在自重下及實際（jì）工況下的變形情況（kuàng），橫（héng）梁由自重引（yǐn）起的（de）最大變形量為（wéi）1.372×10-2mm，如（rú）圖5所示。在極端工況下的最大變形（xíng）量為3.531×10-2mm，如圖6所（suǒ）示。由此可見，橫梁（liáng）體導軌的接觸變形約占整（zhěng）個變形量的61%，因此（cǐ）導軌（guǐ）是橫梁體結構最重要也是最（zuì）薄弱的環節，因根據（jù）其承載特點確定合（hé）理的承載結構。

3 優化（huà）設計

基於上述橫梁體（tǐ）分析，本文對其（qí）進行優化設計，以期達到提（tí）高性能、降低（dī）重量的目的。就材料而言，鋼板焊接橫（héng）梁具有傳統鑄鐵件無可比擬的優勢，但鑒於實際生產需求，且為了和原有結構形成對比（bǐ），本文仍（réng）然采用HT300作為橫梁體材料。首先使用ABAQUS進行拓撲優化，分析其材料分布趨勢，從圖7所（suǒ）示迭（dié）代（dài）過程可以看到，迭（dié）代開始（shǐ）時（shí），主要去除支撐麵及其兩側（cè）的材料，其（qí）次移除橫梁體後上部材料移除，內部筋板也隨之呈三角（jiǎo）形結構。之後，結合相應的設計原則及實際經驗進一步（bù）完善優化結構。鑄造橫梁體壁厚取30mm，在（zài）凸台和導軌等的連接處，壁厚適當加厚。通過分析不同截麵形（xíng）狀的力學性能，結合橫（héng）梁體的承載特點，本文（wén）提出一種（zhǒng）新的（de）橫梁結構形式，如圖8所示。這種結構的特點是剛（gāng）性好、結構緊湊、節約材料等。

定梁式數控（kòng）龍門鏜（táng）銑（xǐ）床（chuáng）橫梁（liáng）結（jié）構優化設計

為了驗證優化設計（jì）結果的合理性，采用有限元法對其進行分析並比（bǐ）較優化前後的結果（guǒ）。由於橫梁截麵形狀（zhuàng）發生了變化，需要對溜板進行相應的調整，滑枕、主（zhǔ）傳（chuán）動（dòng）箱結（jié）構保持不變。

將優化後的模型導（dǎo）入到（dào）ABAQUS，為其設定與優化（huà）前分（fèn）析（xī）模型相同的（de）材料屬性、相同的分析步、相同的相互作用、相同的邊界條件、相同的網格尺寸及網格（gé）類型，分（fèn）別就橫梁體、橫梁組件的靜（jìng）、動態特性進行分析。橫梁體極端工況下的合位移分布雲（yún）圖如圖（tú）9所示（shì）。驗證表明，優化後的（de）橫梁體在重量減輕35.70%的同時，變形及應力分（fèn）布均得到較好的改善（shàn），一階固有頻（pín）率提高37.93%，優化方案合理可行。靜態特性及動態特定均得到較好的改善，優化方案合理可行。優化前後參數對比如表1所示。

4 結束語

本文通過建立定梁式數控龍門鏜（táng）銑床橫梁（liáng）部件三維模型，采用有限元分析的方法對其在實際工況下的靜、動態特性（xìng）進行係統研究，在此基礎上（shàng）進行優化設計，提出一種合理可行的優化方（fāng）案，使橫梁提（tí）高性能的同時，實現輕（qīng）量化設計，有效降低生（shēng）產成本，提（tí）升整機（jī）品（pǐn）質。

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