摘要: 利用（yòng）ANSYS 有限元軟件對TK6363 型臥式（shì）龍門銑（xǐ）床立柱進行了仿（fǎng）真優化分析，計算結（jié）果表明銑床立柱結構設計不夠合理，導致銑（xǐ）床用材量（liàng）增多，製（zhì）造成本升高。通（tōng）過優化立柱內部加筋板布局形式，實現了在（zài）保證加工精度條件下的（de）最優用材量，產品性價比得到大（dà）幅提升。同時計算分析了改進前後銑床立柱的振動特性，改進前後（hòu）銑（xǐ）床立柱基本振動形式沒有發生明顯改變，改進後立柱各階頻率均有提高。實踐表明，該研究不僅解決了工程實際問題，而（ér）且為臥式龍門銑床立柱的結構（gòu）設計提供有益參考。

 
       0 引言

       臥式龍門銑床是一種（zhǒng）高效率（lǜ）的金屬切削機床，因其具有質量穩定，操作方便，性能可靠等優良性能而被廣泛應用於建築、機械（xiè）、航空、冶煉、鐵路等部門（mén） 。床身立柱是（shì）臥式龍門銑床（chuáng）的重要組成部分，起著支撐主軸箱在導軌上運動和連接工（gōng）作（zuò）台及主要零（líng）部（bù）件的（de）作用 。立柱內部結構設計決定了數控銑床的各種加工特性，主要體（tǐ）現在產品的加工（gōng）精度和效率、抗振性能、工作壽命等方麵; 如果立柱結構設計不合理將會導（dǎo）致銑床（chuáng）的加工剛度不足，從而在銑削過程中發（fā）生變（biàn）形和（hé）振動，最終影響加工產品的精度（dù） 。

       TK6363 型臥式龍門銑床為某廠自（zì）主研發生產的大型數控銑床，該銑床具有加（jiā）工類（lèi）型多，工作效率高、加（jiā）工精度高等優（yōu）點。由於該型號（hào）銑床的結（jié）構是通過經驗法（fǎ）、類比法的傳統方法設計出來的，不僅銑（xǐ）床設計周期長，而且整機笨重，試驗、製造成本高，從企業效益（yì）方麵來說（shuō）這是（shì）較（jiào）大的浪費應急需改進。

       本文（wén）針對此型號銑床（chuáng）重要部件（jiàn）—立柱進行有限元分析及輕量化設計，以期得到具有較好動態特性與剛度的立（lì）柱結構，最（zuì）大限度發揮出材（cái）料的力學特性，為銑床的（de）研發與生產服務。在有限元優化分析中，針對這種重型銑床的研究並不多見，通過（guò）本文（wén）的研究，可為有限元在重型數控銑床中的應用探明一（yī）條新的道路，為我國重型數控銑床的研發提供相應（yīng）的理論（lùn）依據。

      1 、銑床立柱原結構有限元分析

      1． 1 建立銑床立（lì）柱三維實體模型

      根據設計圖紙尺寸在（zài）ANSYS 環境中（zhōng）建立三維幾何模型。立柱豎直方向截麵（miàn）為長方形，每側立柱內壁設置有水平加筋肋和豎直加筋肋，其布置（zhì）形式為（wéi）米字型（xíng）。三維模型建立過程（chéng）中，為了簡化立柱（zhù）結構方便建模，在能夠如實體現立（lì）柱結構主要力學性能的前提下，對立柱個別附屬非（fēi）受力構件作（zuò）了一些簡（jiǎn）化，如簡（jiǎn）化掉一些（xiē）小凸台、吊裝孔、安裝孔等 。銑床（chuáng）三維實體模（mó）型如圖1 所示。

      
  
                           圖1 數控銑床三維實體模（mó）型

       1． 2 銑（xǐ）床立（lì）柱（zhù）有限元計算模型
 
 
      ( 1) 劃（huá）分單元類型選擇

      由（yóu）於TK6363 型銑（xǐ）床（chuáng）立（lì）柱結構相對規則平整，網格類型選用SOLID92( 十節點四（sì）麵體等（děng）參數單元) 即可滿足計算精度要求 。

     ( 2) 定義立柱材料參數

      銑床立柱選（xuǎn）用ZG16MN 鋼作為鑄造（zào）材料，依據材料手冊資料，其材料參（cān）數如表（biǎo）1 所示。

                                    表1 銑床立柱材料參（cān）數

      ( 3) 網（wǎng）格劃分
 
 
     采取ANSYS 提供的（de）人工劃分網格的方法，對銑床立柱模型進行單元尺寸設置: 主軸箱和立柱網格單元邊長度設置（zhì）為0． 04m，銑（xǐ）刀盤和主軸網格單元邊長度設置為0． 02m。按照上述方案對TK6363 型數控銑床進行網格劃分後總的節點數為281643 個，總單元（yuán）數為176935 個。
 
 
      ( 4) 載荷計算
 
 
      該銑床在進行銑削加工時主要受（shòu）軸向力和扭矩的（de）作用（yòng）。軸向力可轉化（huà）為麵力作用於銑（xǐ）刀盤（pán）麵（miàn）上，以避免應（yīng）力集中的出現而影響有限元計算結果; 扭矩可轉化為集中力的形式作用於銑刀盤的各節點處。實驗銑（xǐ）削深度分別為5mm 和10mm，軸向力和扭矩［9］可由式( 1) 求得:

公式1

      CF( 係數) = 89; ae( 銑削接觸（chù）弧深) = 80mm;af( 進給量) = 0． 2mm/齒; dt( 銑刀直徑) =100mm; ap( 銑削深度) = 5mm/10mm; z ( 銑刀齒數) =6;Pc( 主軸切削功（gōng）率) = 31kW; n ( 轉數（shù）) = 500r /min。通過式( 1) 計算得到軸向力（lì）F 和扭（niǔ）矩M:銑削深度為5mm 時: F = 5． 2kN，M = 600N·m;銑削深度為（wéi）10mm 時: F = 10kN，M = 600N·m。

      ( 5) 約束條件

      在加工工件時，銑床立柱（zhù）固定不動（dòng），工作台做水平運（yùn）動，立柱底麵無線位移和角位移，6 個自由度都為零，有限元計算時立柱底（dǐ）麵全部約束（shù）。施加約束和載荷後的有限元模（mó）型如圖2 所示。

       
  
                 圖2 銑床立柱有限元模型

      2 、有限元數值模（mó）擬可靠（kào）性驗證

      2． 1 可（kě）靠性驗證（zhèng）
 
      為驗（yàn）證ANSYS 模擬的可靠性，利用YJ-4501A 型靜態電阻應變儀測量立柱（zhù）在銑削深度分別為5mm 和10mm 時測量點的應變值，並與ANSYS 模擬數據對比（bǐ）分析，應變片位置如圖（tú）3 和圖4 所示。( 括號內貼片編號為對麵對稱點貼片編號)

                     圖3 粘貼（tiē）應變片的（de）數控銑床

       
  
                          圖4 應變片貼片位置
 

       圖4 中的應變片1、5、6( 19) 、11( 22) 、12( 23) 、14( 24) 、9( 21) 、8( 20) 、3 貼片（piàn）方向（xiàng）沿x 軸方向，應變片15 ～ 18 貼片方向沿y 軸方向，應變片2、4、7、10、13 貼片方向沿z 軸方（fāng）向，有限元模擬結果與實驗測試結果如表2 所示( 對稱點貼（tiē）片取其平均值) 。

                                   表2 實測數據與模（mó）擬結果

       由表2 數據可（kě）以看出，每一組ANSYS 模擬數據與實驗測試數據都（dōu）處於同（tóng）一數量級上，由（yóu）於實驗設備的（de）測試（shì）精度及現場測試環境（jìng）的影響導致了誤差的產生，但相對誤差均在5%以（yǐ）內，基於此，可以證明本文所使用的建模、分析和模擬方法與步驟適用於TK6363 型數控銑（xǐ）床（chuáng）的有限元數值模擬，並且數值模擬結果是可靠的。

       2． 2 銑床立柱原結構有限元模擬結果分析

  
       ( 1) 強度分析（xī）

       銑床強度（dù）是指銑床承受載荷後抵抗發生（shēng）變形的能力。銑床（chuáng）立柱在銑削深度為5mm 和10mm 兩種工況下的最大等效應力分別為0． 07MPa 和2． 33MPa，其位置均在（zài）主軸箱附近，提取立柱（zhù）應力雲圖如圖（tú）5 所（suǒ）示。

        
  
                         圖5 銑（xǐ）削深度為5mm 和10mm 的應力雲圖（tú）

      從兩種工況的等效應力雲圖上可以看（kàn）出最大（dà）等效應力均出現在立柱與主軸箱附近交匯處，立柱大部分承載區域的等效（xiào）應力值在0 ～ 0． 7MPa 之間，而（ér）銑床立柱的材質為16Mn 鋼，其強度極限為345MPa。考慮到銑刀的性能、銑削精度及主軸功率，TK6363 型數控銑床（chuáng）最大銑削深度控製在10mm 以內，因此，從等效應力分（fèn）析的結果來看，銑床立柱受到的（de）應力較小，且大部分都（dōu）處於低應力區，遠遠滿足強度要求（qiú），且有較大的富（fù）餘（yú），需要進一步的結構優（yōu）化。

      ( 2) 剛（gāng）度分析

      TK6363 型數控銑床在銑削反作（zuò）用力（lì）下會發生微變形，並直接影響到銑床的（de）加工精度（dù）。銑（xǐ）床剛度除取決於自身材料的（de）力學特（tè）性外，還與幾何（hé）形狀（zhuàng）、邊界條件、外力作用形式等因素有關，分析銑床立柱的剛（gāng）度是該型號（hào）銑床設計（jì）任（rèn）務中的一項重要工作。銑床立柱在銑削深度為5mm 和10mm 兩種（zhǒng）工況下的最大位移量分（fèn）別為4． 15E-04mm 和（hé）4． 68E-03mm，其位置均處（chù）於銑床頂部，提取立柱變形雲（yún）圖如圖6 所示。

                         圖（tú）6 銑（xǐ）削深度（dù）為5mm 和10mm 的變形雲圖（tú）

      由圖6 可知，兩種工況下銑床（chuáng）立柱（zhù）會發生變（biàn）形，其變形值處於較低數值範圍內屬於微變形（xíng），變形值由銑床底部向上逐漸變大，直到頂部達到（dào）最大值，由此可知銑床在進行銑（xǐ）削加工時會出現向後的彎曲趨勢，這與強度（dù）分析結果相吻（wěn）合。由上述分析可知，該型號數控銑床（chuáng）滿足剛度的要（yào）求且有富餘，由此進一步說（shuō）明需要對（duì）銑床進行結構優化分析，從而減輕自重，降低造價。

      3 、模態分析

      模態分析主要用於（yú）分析結構的（de）振動特性，銑床立（lì）柱受到來電機和滑軌的激振而產生振動，當結構設（shè）計不合理時，會因振動而造成某些構件的疲勞破壞，進而（ér）影響銑床加工精度和使用壽命。

      本文將計算床身立柱在動態（tài）激勵下的響應，考（kǎo）慮該型（xíng）號數控銑床的結構較為複雜，且結合計算機配置，在此選（xuǎn）用Block Lanczos 法求解銑床立柱的模態，該方法精度高，速度快，適合大型結構求解。銑床在銑削加工時振源頻率屬低頻範圍，高（gāo）階模態的固有頻率遠大於該銑床的激（jī）振頻（pín）率，因此低階固有（yǒu）頻率對銑床立柱的（de）動（dòng）態特性起決定作（zuò）用，本文求解時共擴展了10 階模態，前10 階固有頻率如表（biǎo）3 所（suǒ）示。前兩階振型如圖7所示，其中一階振型主要是立柱與主軸（zhóu）箱發生相對扭轉（zhuǎn）運動，同時沿y 軸方向彎曲變形; 二階振型主要是彎曲變形。

      表3 銑床前十階固有振動頻率( Hz)

                                 圖7 數控銑床振型圖

 
       4、 輕量（liàng）化設計

       考慮到企業的澆鑄生產成本及後續的（de）配套（tào）設施費用，此次輕量化設（shè）計中，銑床的外形尺（chǐ）寸保持不變，在保證（zhèng）加工精度的前提下（xià），對銑床的壁厚及立柱（zhù）內部加筋板布置形式進行優化。由原始靜力分析可知: 銑床的剛度和強度遠滿足要求，且存在（zài）較大（dà）富餘，故（gù）簡化加筋板的數量，調整布置形式，優化後的TK6363-B 型立柱（zhù）加筋板結（jié）構如圖8 所示，輕量化（huà）設計方案見表4。

                                            表4 減重方案

                  圖（tú）8 B 型立柱剖麵三維實體模型

       對輕量化的數控銑（xǐ）床分別進行靜力學和模態分析，優化後的銑床其強度和剛度變化量較小，最大（dà）等效應力由原來的2． 33MPa 變為2． 34MPa，立柱最大（dà）變形量由原來的4． 68E-03mm 變為4． 72E-03mm，其變形值（zhí）在（zài）0． 05mm 以（yǐ）內，滿足TK6363 型數控銑床（chuáng）加（jiā）工精度設
要（yào）求，變形雲圖如圖（tú）9 所示。

                圖9 B 型銑削深度為10mm 變形雲圖（tú）

      隨著銑（xǐ）床壁厚的減小及（jí）加筋板布局形式的改變，TK6363-B 型（xíng）數控銑床的各階固有頻率隨之增（zēng）大，前5階固有頻率如表5 所示，前五階振型如圖（tú）10 所示。

      表5 TK6363-B 型銑床前五階固有頻率

       
  
  
                            圖10 TK6363-B 型數控銑床振型圖（tú）

      綜上所述，優化後的銑床加工精（jīng）度仍滿足要（yào）求，其固（gù）有頻率略有升高，動態特性相對較優，振型特點是:底部（bù）相對較穩定，立柱與主軸箱會發生相對扭轉運動，並沿y 軸方向彎曲，頂部位移（yí）量相對最大。

       5、 結論

       本文針對TK6363 型數（shù）控銑床進（jìn）行了（le）輕（qīng）量化設計，在保證最大限（xiàn）度降低澆鑄生產成本及後續配套設施費用（yòng）的前提下，可在重（chóng）量減輕10% 的同時，保證銑床加工精度（dù）符合設計要求。數（shù）值模擬與電（diàn）測實驗（yàn）的綜合應用使（shǐ）得銑床（chuáng）設計計算更加快速、精確，有效降（jiàng）低了生產（chǎn）成本，並進一步提升了銑床的質（zhì）量品質。同時為工程（chéng）結構優化設計提供（gòng）了可靠的理論依據，為銑床類新產品的研發（fā）提供了有益的指導。