动梁龙门加工中心横梁结构设计与优化
2018-10-23 来源： 南通大学机械工程学院 作者：郭琳娜，郑天池，鞠家全，孙小刚，邱自学
摘要: 横梁结构设计的品质在很大程度上决定了动梁龙门加工中心的刚度和强度性能; 横梁结构中加强筋的设计与布局直接影响横梁的静 /动态特性。基于有限元法对动梁龙门加工中心的横梁进行静 /动态分析，获得了横梁在极端工况下的变形情况以及横梁结构的前六阶固有频率与振型。结果表明，十字形加强筋难以满足实际工作要求，因此将加强筋结构改成米字形，使横梁的变形量减少了 20． 265% ，一阶模态频率提高了 4． 405% ，表明该优化设计方法合理可行，为横梁的结构设计提供了理论依据。
关键词: 龙门加工中心; 横梁; 静/动态; 加强筋
0 引言
随着工程机械、轨道交通以及航空航天等行业的迅速发展，各类大、重型复杂零件被广泛地应用于机械装备中，对零件的加工精度提出了更高的要求，同时也增加了加工难度。龙门加工中心作为加工机械产品的主力机床，不仅加工效率高，而且具有良好的性价比和较高的自动化程度，在高端机械制造业中发挥着重要作用。
作为动梁龙门加工中心的主要支撑部件，横梁结构设计的合理与否将直接影响到机床的制造成本和整体性能。
通过改进横梁的结构来提高动梁龙门加工中心的整体性能成为了众多学者研究的重点。提出了一种新型横梁设计构想———拱型预紧结构横梁;文献］以横梁的总体积为目标函数对横梁结构进行优化; 对不同截面形状的横梁在特定方向的刚度大小进行了分析对比。
以上研究均为横梁的结构改进提供了设计思路与研究方向，对横梁加强筋位置和样式的优化更是成为了研究的热点。
本文通过对横梁加强筋样式的改进来优化横梁的静 /动态特性，对横梁的结构改进具有良好的实际应用价值。
1 、动梁龙门加工中心的总体结构设计
1． 1 动梁龙门加工中心的结构特点
根据目前龙门加工中心的研究现状和现代机械产品生产制造的需求，对动梁龙门加工中心的总体结构进行了设计。所设计的加工中心为横梁上下移动式框架结构，采用双立柱固定支撑的形式，其运动形式包括 4 个进给轴和 1 个旋转轴，4 个进给轴包括工作台沿床身前后移动的 X 轴、滑座沿横梁左右移动的Y 轴、滑枕沿滑座上下移动的 Z 轴和横梁沿双立柱下移动的 W 轴，旋转轴指主轴。
1． 2 加工功能分析
动梁龙门加工中心具备高速、高精密的切削加工特征，不仅能够加工普通中小型金属件、3C 产业零件、精密零件及模具等批量零件的外形、型腔，还能借助自动程序编制技术加工各种大、重型复杂零件，实现切削槽、钻孔和攻丝等工序的加工，现已被广泛应用于航空航天等重要领域。
1． 3 动梁龙门加工中心的主体结构
动梁龙门加工中心主要由床身、工作台、双立柱、固定梁、横梁、滑座和滑枕等部件组成。动梁龙门加工中心的整体结构如图 1 所示。
图 1 动梁龙门加工中心整体结构
由图 1 可知，动梁龙门加工中心的横梁结构由双立柱支撑，同时承载着滑座、滑枕等部件，滑座沿横梁导轨左右运动，滑枕在滑座上做上下运动。当滑座处于横梁的中间位置，滑枕运动到最低点时，横梁会产生最大的弯曲变形。本文设计的横梁结构具有如下优点。
1) 横梁的上下移动可以实现细长型零件和复杂结合面的加工，间接扩大了切削范围。
2) 横梁与双立柱的接触导轨面处做了贴塑处理，极大减小了摩擦阻力，且减振性能良好，能有效防止低速爬行现象的发生，使运动平稳进行.
3) 横梁两侧均设有刹铁和压板来调整横梁与立柱的接触面，保证导轨处的可靠接触，提高横梁精度。
2 、横梁的静 / 动态分析
2． 1 网格划分
横梁为铸造件，材料为 HT250，材料属性设置为:弹性模量取 1． 3 × 105MPa，泊 松比取 0． 27，密度取7 200kg / m3。网格划分的情况直接影响有限元分析的速度和精度，综合各影响因素，采用 solid45 单元结构，单元大小设置为 100mm。将横梁结构导入有限元分析软件 ANSYS Workbench 中，运用自由网格划分的方式得到横梁组件的有限元模型，横梁的网格划分图如图 2 所示。
图 2 横梁的网格划分图
2． 2 约束与载荷
忽略与横梁接触的各部件间的接触面变形，将各结合面近似看作刚性接触。横梁下端两侧通过滚珠丝杠螺母支撑，后侧由液压夹紧机构夹紧固定，约束时向横梁对应的贴合面施加固定约束。由力学分析可知，当滑座部分移动到横梁的中间位置时，横梁所承受的负荷最大，因此，将滑枕、滑座以及主轴部分的重量作为载荷全部施加到横梁相应的导轨面上。
2． 3 静力学分析
静态刚度是一个判断结构优劣性的基本指标，结构的最大变形量可在极限载荷的情况下得到。动梁龙门加工中心横梁的受力结构为两点简支梁支撑形式，重力和加工时的切削力是造成横梁变形的主要原因。此外，当横梁上的滑座部分沿导轨移动时，也会引起横梁不同程度的弯曲变形; 同时滑座部分的重力偏置还会引起横梁的扭转变形。
对于大型和重型机床，移动件的重量大，切削力也很大，因此进行受力分析时，必须同时考虑移动件重力和切削力等载荷的共同作用。假定横梁处于最危险状态，即滑座部分位于横梁中部时，通过有限元分析得到的横梁位移变形云图如图 3 所示。
图 3 横梁位移变形云图
由图 3 可知，横梁最大位移变形量为41． 021μm。由于横梁变形主要为弯曲和扭转变形，这将导致滑枕与主轴偏移正确的位置，对加工精度产生较大影响。
2． 4 模态分析
动梁龙门加工中心在工作过程中，除了受到静载荷的作用，还受到包括断续切削、材料硬度或加工余量的变化以及回转零件不平衡等引起的动态力的共同作用，因此会对加工中心产生扰动。
当振幅超过允许值时，会使刀具磨损严重，加工表面质量下降，影响加工精度，降低生产效率，甚至导致加工中心不能正常工作。加工中心的振动可以分为自激振动和受迫振动，找出其动态刚度低的薄弱环节，能够提高抵抗受迫振动的能力，为加工中心的结构设计提供理论依据。
考虑到动梁龙门加工中心的结构动态特性将影响到其加工精度和稳定性等技术指标，同时，加工中心的前几阶模态特性及其切削系统的工作频率对切削性能也具有重要的影响
，运用有限元分析软件对横梁进行模态分析，取前六阶模态频率进行研究。横梁的一阶模态振型云图如图 4 所示，横梁的前六阶模态频率如表 1 所示。
图 4 横梁的一阶模态振型云图
表 1 前六阶模态频率 Hz
由图 4 和表 1 可知，横梁的振动频率较小，一阶振动频率为 83． 747Hz，当外界激振频率与一阶振动频率相近时，系统易发生共振现象，造成横梁的损坏断裂，不利于实际的生产加工，因此对横梁的结构进行了改进。
3 、横梁的结构改进
由横梁的静/动态分析结果可知，加强筋对横梁本身的性能影响较大，根据对角筋板理论得出目前采用的十字形筋板难以满足实际加工要求; 因此，应对加强筋的样式进行改进，以提高横梁的静/动态特性，进而改善龙门加工中心的整体性能。
通过改进结构尺寸和筋板布置可以提高结构的静/动态特性。为了使改进后的横梁便于装配，不改变结构尺寸，只改变内部筋板布置，根据对角筋板抗扭理论，将横梁内部筋板结构改为米字形。改进方案为: 筋板厚度不变，将原来横向与纵向垂直交叉的十字形结构更改为斜筋构成的米字形结构。改进前的横梁加强筋结构如图 5 所示，改进后的横梁加强筋结构如图 6 所示。
图 5 改进前的横梁加强筋结构
图 6 改进后的横梁加强筋结构
4 、改进前后分析
对改进后的横梁进行静/动态特性分析，得到横梁的总变形量云图，如图 7 所示，同时得到横梁一阶模态振型云图，如图 8 所示。
图 7 改进后横梁的总变形量云图
图 8 改进后一阶模态振型云图
改进后的横梁最大变形量为 32． 708μm，较改进前的最大变形量减少了 20． 265% ; 一阶模态频率为87． 436Hz，较改进前提高了 4． 405% 。改进后的横梁静/动态特性取得了较理想的效果。改进前后横梁的静/动态特性对比结果如表 2 所示。
表 2 改进前后横梁静/动态特性对比结果
由表 2 可知，改进后的横梁位移变形量显著降低，一阶模态频率提高，总体性能优越。
5 、 结语
1) 通过对极端工况下的横梁进行静 / 动态特性分析，发现加强筋的样式对横梁的影响较大，十字形结构的加强筋难以满足 加 工 要 求，需 要 进 行 结 构改进。
2) 根据对角筋板理论，将横梁筋板改进成米字形结构，得到横梁总变形量的最大值为 32． 708μm，比改进前减少了 20． 265% ，改进后满足设计要求。
3) 通过对改进后的横梁进行模态分析，获得横梁的前六阶 固 有 频 率 及 振 型，一 阶 模 态 频 率 提 高 了4． 405% 。
4) 综合分析改进前后横梁的静 / 动态特性，发现改进后横梁的整体性能显著提高，表明该优化设计方法合理可行，为横梁的结构设计提供了理论依据。
投稿箱：
如果您有机床行业、企业相关新闻稿件发表，或进行资讯合作，欢迎联系本网编辑部， 邮箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有机床行业、企业相关新闻稿件发表，或进行资讯合作，欢迎联系本网编辑部， 邮箱：skjcsc@vip.sina.com
更多相关信息
