摘要: 利用ANSYS 有（yǒu）限元軟件對TK6363 型臥（wò）式龍門銑床立柱進行了仿真優化分析，計算結果表明銑（xǐ）床立柱結構（gòu）設計不夠合理，導致銑床用材量增多，製造成（chéng）本升高。通過優化立柱內部加筋板布（bù）局（jú）形（xíng）式，實現（xiàn）了在保證加工精（jīng）度條件下的最優用材量，產品性價比得到大幅（fú）提（tí）升。同時計算分析了（le）改進前後銑床立（lì）柱的振動特性，改進前後銑床（chuáng）立（lì）柱基本振動（dòng）形式（shì）沒有發生明顯改變，改（gǎi）進（jìn）後立柱各階頻率（lǜ）均有提（tí）高。實踐（jiàn）表明，該研究不僅解決了工程實際問題，而且為臥（wò）式龍門銑床立柱的結構設計提供（gòng）有益參考。

     關鍵詞: 臥式龍（lóng）門銑床（chuáng）; 立柱; 優（yōu）化分析; 振動（dòng）特性

     0 引言

     臥式龍門銑床是一種高效率的金屬切削（xuē）機床（chuáng），因其具有質量穩定，操作方便，性（xìng）能可（kě）靠等優良性能而被廣泛應用（yòng）於建築、機械、航空、冶煉、鐵路等（děng）部門［1-2］。床身立柱是臥式（shì）龍門銑床的重要組成部分，起著支撐主軸（zhóu）箱在導軌上運（yùn）動和連接工（gōng）作台及主要零部件的作用［3-4］。立柱內部結構設計決定了數控銑（xǐ）床（chuáng）的各種加工特性，主要體現（xiàn）在產品的加工精度和效率（lǜ）、抗振性能、工作（zuò）壽命等方麵; 如果立柱結構（gòu）設計不合理（lǐ）將會導（dǎo）致銑床的加（jiā）工剛度不足，從（cóng）而在銑削過程中發生變形和振動，最終影響加工產品的精度［5］。

     TK6363 型（xíng）臥式龍門（mén）銑床為某廠自主研發生產的大型數控銑床，該銑（xǐ）床具有加工類型多，工作效率高、加（jiā）工精度高等優點。由（yóu）於該型號銑床的結構是通過經驗法、類比法的傳統方法（fǎ）設計出來的，不僅銑床設計周期（qī）長，而且整機笨重，試驗、製造成本高，從企業效益方麵（miàn）來說這是較大的浪費應急需改進。

    本文針（zhēn）對此型號銑床重（chóng）要部件—立柱進行（háng）有限元分析及輕量化（huà）設（shè）計，以期得到具有較好動態（tài）特性與剛度的立柱結構，最大限度發揮出材料的力學特性（xìng），為銑（xǐ）床的研發與生產服務。在（zài）有限元優化分析中，針對這種重型銑床的研（yán）究並不多見，通過本文（wén）的研究（jiū），可為（wéi）有限元在重型數控銑床中的應用探明一條新的道路，為（wéi）我國（guó）重（chóng）型數控銑床的研發提供相應的理論依據（jù）。

     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

                      圖（tú）1 數控銑床三維實體模型

     1． 2 銑床立柱有限元計算模型

     ( 1) 劃分單（dān）元類型選擇

     由於TK6363 型銑床（chuáng）立柱結構相對規（guī）則平整，網格類型（xíng）選用SOLID92( 十（shí）節點四麵體等參數單元) 即可滿足計算精度要求［8］。

     ( 2) 定義立柱材料參數

     銑床立柱選用ZG16MN 鋼作為鑄造材料，依據材料手冊資料，其材料參數如表1 所示。

                                   表1 銑床立柱材料參數

     ( 3) 網格劃分

     采取ANSYS 提供的人（rén）工劃分網格的方法，對銑床立柱模型進行單（dān）元尺（chǐ）寸設置: 主（zhǔ）軸箱和立柱網格單元邊長度設置為0． 04m，銑刀（dāo）盤和主軸（zhóu）網格單元邊長度設置為0． 02m。按照上述方案對TK6363 型數控銑（xǐ）床進行網格劃分後總的節點數為281643 個，總單元數為（wéi）176935 個。

     ( 4) 載荷計算（suàn）

     該銑床在進行銑削加工時主要受（shòu）軸向力和扭矩的作用。軸向力（lì）可轉化為麵力作用於銑刀盤麵（miàn）上，以避免應力集中的出現而影（yǐng）響有限元計算結果（guǒ）; 扭矩可轉化為集中力的形式作用於銑（xǐ）刀盤的各節點處。實驗（yàn）銑削（xuē）深度分別為5mm 和10mm，軸向力和扭矩［9］可由式( 1) 求得:

     通過式( 1) 計算得到軸向力F 和扭矩M:銑削深度為5mm 時: F = 5． 2kN，M = 600N·m;銑削深度（dù）為10mm 時: F = 10kN，M = 600N·m。

    ( 5) 約束條件（jiàn）

    在加工工件時，銑（xǐ）床立柱固定不動，工作台做水平運動，立柱底麵無線位移和角位移，6 個自由度都（dōu）為零，有限元計（jì）算時立柱底麵全部約（yuē）束。施加約束和載荷後的有限元模型如圖（tú）2 所示。

   
         圖2 銑床立柱有限元模型

    2 、有限（xiàn）元數值模擬（nǐ）可靠（kào）性驗證

   
    2． 1 可靠性驗證

                圖（tú）3 粘貼應變（biàn）片的數控銑床

     
  
                          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 貼片方向沿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（zhóu）方向，有限元模擬結果與實驗測試結果如（rú）表2 所示( 對稱點貼片取其平均值) 。

                               表2 實測數據與模擬結果

    由表2 數據可以看出（chū），每一組ANSYS 模擬數據與實驗測試數（shù）據都（dōu）處於同一數量級上，由於（yú）實驗設備的測試精度及現場測試環境的影響導（dǎo）致了誤差的（de）產生，但相（xiàng）對誤差均在5%以內，基於此，可以證明本文所（suǒ）使（shǐ）用的建模、分析（xī）和模擬方法與步驟適用於TK6363 型數控銑床的有限元數值模擬，並（bìng）且數值模擬結果（guǒ）是可靠的。

     2． 2 銑床立柱（zhù）原結構有限元模擬結果分析

     ( 1) 強度分析

                   圖5 銑削深（shēn）度（dù）為5mm 和10mm 的應力雲圖

     從兩種工況的（de）等效應力雲圖上可以看出最大等（děng）效應力均出（chū）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應力值在0 ～ 0． 7MPa 之間，而銑床（chuáng）立柱的材質為16Mn 鋼，其強度極限為（wéi）345MPa。考慮到銑刀的性能、銑削精（jīng）度及主軸功率（lǜ），TK6363 型數控銑床最大銑削深度控製在（zài）10mm 以內，因此，從等效應力分析的結果來看，銑床立柱受到的應力較小，且大部分都處於低應（yīng）力區，遠遠滿（mǎn）足強度要求，且（qiě）有較大的富餘，需要進（jìn）一步的結構優化（huà）。

     ( 2) 剛度分析

                    圖6 銑（xǐ）削深度為（wéi）5mm 和10mm 的變形雲（yún）圖

     由圖6 可知，兩種工況下銑（xǐ）床立（lì）柱會發生變形，其（qí）變形值處於較低數值範圍內（nèi）屬（shǔ）於微變（biàn）形，變形值由銑床（chuáng）底部向上逐漸變（biàn）大，直到頂部達到最大值，由此（cǐ）可知銑床在進（jìn）行銑削加工時會出現向後的彎曲趨勢，這與強度分析結果相吻合。由（yóu）上述分析可知，該型號數控銑床床滿足剛度的要求且有富餘，由此進一步（bù）說明需要對銑床進（jìn）行結構優（yōu）化分析，從而減輕自重，降低造價。

     3、 模（mó）態（tài）分析

     模態分析主要用於分析結（jié）構（gòu）的振動特性，銑床立柱受（shòu）到來電機和滑軌（guǐ）的激振而產生振動，當結構設計不合理時，會因振動而造成某些構件的疲勞破壞，進而影響銑床加工（gōng）精度和使用壽命。

 
    本文將計算床身立柱在動態激勵下（xià）的響應，考慮該型號數控銑床的結構較為複雜，且結合計算機配置，在此選用Block Lanczos 法求（qiú）解銑床立柱的模態，該方法精度高，速度快，適合（hé）大型結構求解。銑床在銑削加工（gōng）時振源頻率屬低頻範圍，高階模態的固有頻率遠大於該銑（xǐ）床（chuáng）的激振頻率，因此（cǐ）低階固有頻率對（duì）銑（xǐ）床立（lì）柱的動態特性起決定（dìng）作用，本文求解時共擴展了10 階模態，前10 階固有頻（pín）率如表3 所示。前（qián）兩階振型如圖7所示，其中一階振型主（zhǔ）要是立柱與主軸箱發生相對扭轉（zhuǎn）運動，同時沿y 軸方向彎曲變形; 二階振型主要是彎
曲（qǔ）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 、輕量化設計

     考慮到企業的澆鑄生產成本及後續的配套設施費用［10］，此（cǐ）次輕量化設計中，銑床的外形尺寸保持不（bú）變，在保證加工精度的前提下，對銑床（chuáng）的（de）壁厚（hòu）及立柱內（nèi）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（cún）在較（jiào）大（dà）富餘，故簡化加筋板的數量，調整布置形式，優化後的TK6363-B 型立柱加筋板結構如圖8 所示，輕量化設計方案見表4。

                                        表4 減重方案

            圖8 B 型立柱剖（pōu）麵三維實體模型

     對輕量（liàng）化的數控銑床分別進行靜力（lì）學和模態分（fèn）析，優化後的銑床其強（qiáng）度和剛度變化量較小，最大等效（xiào）應力由原來的2． 33MPa 變為2． 34MPa，立柱最大變形量由原來的4． 68E-03mm 變為4． 72E-03mm，其（qí）變（biàn）形值在（zài）0． 05mm 以內，滿足TK6363 型數控銑床加工精度設計要求，變（biàn）形雲圖如（rú）圖9 所示。

        圖9 B 型銑削深度為（wéi）10mm 變形雲圖

                     表5 TK6363-B 型銑床前（qián）五階固有頻率

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

     綜上所述，優化（huà）後的銑床加工精度仍滿足要求，其固（gù）有頻率略有升高，動態（tài）特性（xìng）相對較優（yōu），振型特點是:底部相對較穩定，立柱與主軸箱會發生相對扭轉運動，並沿y 軸方向（xiàng）彎曲，頂部位移量相對最大。

     5 、結論（lùn）

     本文針對TK6363 型數控銑（xǐ）床進行（háng）了輕量化設計，在保證最大限（xiàn）度降（jiàng）低澆鑄生產成本及後（hòu）續配套設施費用的前提下，可在重量減輕10% 的（de）同時，保證銑床加工精度符合設計要求。數值模擬與電測實驗的綜合應用使得銑床設計（jì）計算（suàn）更加（jiā）快速、精確，有（yǒu）效降低了（le）生產成本，並進一步提升（shēng）了銑床的質量品質。同時為工程結構優化設計（jì）提供了可靠的理論依據，為銑床類新產品的研（yán）發提供了（le）有益的指導。