0 引言

     高速（sù）龍門五軸（zhóu）加工中心主要應用於複雜（zá）模具製（zhì）造（zào）以及大型（xíng）鋁合金結構件（jiàn）的高（gāo）速（sù）、高效、高精加工，是航空（kōng）航天（tiān）、模（mó）具和汽車等（děng）高科技領域的（de）關鍵加工裝備。機床的靜剛度是（shì）指機床承受恒定載（zǎi）荷的（de）能力，是其最重要的性能指標之一。機床的靜態變形不但會改變零部件的（de）幾何精度並影響加工質量，還會影響機床（chuáng）的生產率、抗振性、噪聲、工作壽命（mìng）、運動（dòng）平衡（héng）性、發熱和磨損等［1］。因此在機床的設（shè）計過程中采用有限元分析技（jì）術（shù），對機床整機及主要部件進行靜力學（xué）分析，發現橫梁與滑枕為影響整機靜剛（gāng）度的薄弱環節，對其結構進行優化改進，從而提高了機床的靜剛度，並在（zài）實際應用中獲得了良好的效果（guǒ）。

1 整機有限（xiàn）元建（jiàn）模（mó）

     1. 1 整機三維實體（tǐ）建模

     高速龍門五軸加工中心為龍門框架式結構，主要由左右橋梁、工作台、橫梁、滑板、滑枕（zhěn）、雙擺頭等組成，如圖1 所示，工作台與橋梁為落地式，橫梁在左右橋梁上的直線電（diàn）機並聯驅動下前後移動做X 向運動，滑板通過直線電機在橫梁上左右移動做Y 向運動，滑枕通過雙絲杠驅動結構在（zài）滑板中上下移動做Z 向運動，雙擺頭可實現（xiàn）A/C 軸擺動（dòng），滿足複雜曲（qǔ）麵的五軸聯動加工。由於有限元分析軟件Ansys 提供的建模工具相對較弱，所以采用Pro /E 軟件先將各部件建立三維實（shí）體模型，並裝配得（dé）到（dào）整機模型，為（wéi）減少計算負荷，對模型進行適當簡化，去掉螺釘、螺母、倒角、倒圓、螺栓孔以（yǐ）及凸台等零件和特（tè）征，並（bìng）對小錐度、小曲率（lǜ）曲麵進行直線化和平麵化處理。

     1. 2 定義材料屬性及網（wǎng）格劃分

     將裝配得到整機模型導入有限元分析軟件Ansys的Work-bench 應用平台，設置機床的（de）材料屬性。其（qí）中，機（jī）床左右橋梁和（hé）工作台的材料為HT250，楊氏模（mó）量（liàng）為（wéi）1. 2 × 105MPa，密度7210kg /m3，泊鬆比0. 22; 橫梁（liáng）、滑板和滑枕等大（dà）件使用Q235A 鋼板焊接而成（chéng），其材料屬性為楊氏模量2. 1 × 105MPa，密度為7860kg /m3，泊鬆比0. 3。

     網格劃分質量直（zhí）接影響模型的計算精（jīng）度，為了提高網格質量，需要在網格劃分階段進行嚴格控（kòng）製。左右（yòu）橋梁、滑板和滑枕等相對規則的物體采用六（liù）麵體劃分; 橫梁結構比較複雜，采用等邊四麵體劃分;依據各個零件（jiàn）尺寸大小的不同，單元尺寸大小分別（bié）規定為10 ～ 100mm 不等，網格模型見圖2。

     1. 3 結合麵的處理

     機床相鄰（lín）部件間相互接（jiē）觸的區域稱為結合部，對機床整機特性有重要影響（xiǎng）。有統計顯示，機床整機靜剛（gāng）度中30% ～ 50% 取決於結合（hé）部的剛度特性［2］，動柔度有60% 以上是（shì）源（yuán）自結（jié）合部（bù），阻（zǔ）尼值的90%以上來源於結合部的阻尼［3］。因此，結合部的建模是機床整機有限元建（jiàn）模的重要組成部分。機床中主要的結（jié）合部包括直線電（diàn）機初級-次級結合部、直線滾動導軌滑塊-軌道結（jié）合部、滾珠絲杠絲母-絲杠結合（hé）部和（hé）螺栓連（lián）接的固定結合部。直線電機推動力很大，初級相對次級運動時幾乎沒有彈性（xìng），在直線電機運動方向上施加位移約（yuē）束方程; 滑塊可（kě）沿導軌運動，在兩個（gè）方（fāng）向（xiàng）上承受力的作用，滾珠絲（sī）杠隻承受軸線方向（xiàng）的力的作用，這兩種結合部采用節點耦合的接觸單元模擬; 螺栓連接的結合部全部采用接觸單（dān）元模擬（nǐ）。所有接（jiē）觸單元（yuán）接觸（chù）剛度、阻尼和摩擦係數等參數（shù）均依據公司參數庫查詢得到。

2 整機靜力學（xué）分析

     對於高速龍門五軸（zhóu）加工中心這樣的大型機床，在計算靜力變形時（shí），不能忽視它本（běn）身的重力對機床的變形和加工的影響。根據機床的結構可知（zhī）當滑枕沿機床（chuáng）Z 坐標方（fāng）向移動到最下（xià）端時，滑枕的伸出量最長，此時的變形最大，所以整機的靜（jìng）力學分析將選擇此時機床的位姿來計算。首先計算機床在重力作用下的變形情況，計算結果如圖3 所示，機床的最大變形為0. 34mm。將總變形分解到各個部件，結果如圖4 所示，從計算的結果可以看出橫梁的變（biàn）形最大，為（wéi）0. 13mm，為機床的（de）薄弱環節，其（qí）引起的機床變形（xíng）占總變形的38%，主要原因是（shì）橫梁在重（chóng）力作用下發生YZ 平麵的彎曲和XZ 平麵的扭轉，帶動主軸偏離理想位置。

     在機床有限元模型中，按實際工況設置邊界約束（shù）條件，將左右橋梁（liáng）地腳孔內圓柱麵作為固定約束，根據加工過程（chéng）中刀具在各方向的受力，將切削工件時作用在刀具的（de）反力折算簡（jiǎn）化到電主軸的下端麵，在（zài）有限（xiàn）元模型X、Y、Z 三個（gè）方向上各施加載荷10000N，分別計算出X、Y、Z 方向機床的最大變形（xíng），計算結果如圖5，圖6，圖7 所示，從（cóng）計算結（jié）果可以看出（chū），機床在X 方向的變形量最大，剛度值最低。

     為找出機（jī）床的薄弱（ruò）環節，將機（jī）床在X、Y、Z 方向切削（xuē）力分別作用下總變形分解到各個主要部件，結果如圖8 所（suǒ）示; 從計算結果可以（yǐ）看出，在（zài）X 方向橫（héng）梁和滑枕（zhěn）是引起變形的主要部件，其（qí）變形分別為0. 10mm 和（hé）0. 12mm，占到總變形的32%和40%，在Y 向（xiàng）變形中（zhōng）滑枕是引起變形的主（zhǔ）要部件，變形為0. 10mm，占到總變形的（de）58%，變形形式為橫梁的扭轉、彎曲和滑枕的彎（wān）曲，說（shuō）明橫（héng）梁的扭轉剛度、彎（wān）曲剛度和滑（huá）枕的彎曲（qǔ）剛度較差，是進一步優化改進的重點。

3 機床結構優化設計

     橫梁和滑枕為機床的核心基礎大件，由前麵的分析結果可知（zhī），它們為機床（chuáng）的薄弱環節，需對其結構（gòu）優化改進; 機床大件的剛度主要決定於它的材料、截麵形狀、尺寸（cùn）和筋板的布（bù）置等因（yīn）素，所以（yǐ）本文以它們（men）的內部結構為出（chū）發（fā）點，改變尺寸、截麵形狀、筋板的布置，然後利用有限元分析方法對改進前後方案對比，從而確定優化方案（àn），提（tí）高它們的剛度。

      橫梁改進如圖9， 10 所示，在橫截麵上相對於優化前（qián）增加（jiā）一條橫隔筋板（bǎn）貫穿橫梁，並增加了交叉筋板的（de）密度，來（lái）改善橫梁的彎（wān）曲剛度，在縱截麵上增加一條豎隔筋板（bǎn），將其截（jié）麵劃分為若（ruò）幹矩形，另外將縱截麵外圍（wéi）版厚度從20mm 增加到25mm，筋（jīn）板及後圍板厚度由原來（lái）的16mm 改為12mm，並開有很多圓形或方形的窗格，減輕重量，有限元分析對比結果詳見表2。

     滑枕（zhěn）為典型的（de）矩形結構，其剛（gāng）性主要取（qǔ）決（jué）於矩形截麵的大小和筋板的布置，將原滑枕橫截麵由原來的460 × 460mm2 增大（dà）為500 ×500mm2，滑枕中部增加一直徑（jìng）為（wéi）200mm 的圓通貫穿整個滑枕（zhěn），另外將外圍（wéi）板厚度由原來的30mm 減小到25mm，減輕（qīng）重量，經（jīng）有限元分析對比後（hòu）結果詳見表2。

4 結束語

     由機床靜力分析（xī）結果可知，機床X 向靜剛度為32. 5N/um，相對於Y、Z 向較弱，將機床X、Y、Z 方（fāng）向變形進行分（fèn）解（jiě），發現橫梁和滑枕是引起變形的主要部件，因此從橫梁和滑板的內部結構為出發點，改變尺寸、截麵形狀、筋板的布置，然後利用有限元技術對改進（jìn）前後方案對比（bǐ），確定優化方案，優化後使整機X、Y 向靜剛（gāng）度分別提高15. 3%和8. 1%，提高了整機的靜剛（gāng）度，在實際應用（yòng）中獲得了（le）良好的效果。