模具加工中心床身结构优化设计

发布时间：2017-02-23 16:44

  本文关键词：基于有限元的车床床身结构优化，由笔耕文化传播整理发布。

２００９年第３期

文章编号：１００１—２２６５（２００９）０３—００２１—０４

?设计与研究?

基于有限元分析的模具加工中心床身结构优化设计

。

钟伟弘１，Ｉ徐燕申２ｌ，林汉元３

３００３８４；２．天津大学先进陶瓷与加工技术教育部重点实验室，

（１．天津理工大学机械工程学院，天津

天津３０００７２；３．天津第一机床总厂，天津３００１８０）

摘要：机械结构的静、动刚度与布局有关，通过改变拓扑结构，可同时改善结构的静、动态性能。文章根据单自由度系统动、静刚度的关系，使用有限元分析（ＦＥＡ）方法对模具加工中心床身部件进行结构静态和模态分析，提出了各种优化方案。经过优选，得到最佳布局，该结构已被生产厂家采用，投入制造，不仅使床身的静、动态性能大幅度提高，节省了材料，而且为加工中心床身结构设计提供了参考。关键词：床身；有限元分析；静力分析；模态分析；动静态性能中图分类号：ＴＧ６５９，ＴＨｌ２３＋．４

文献标识码：Ａ

ＳｔｒｕｃｔｕｒａｌＯｐｔｉｍｉｚｅｄＤｅｓｉｇｎｏｆ

ＭｏｕｌｄＭＣ

ＢｅｄＢａｓｅｄ

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（１．Ｓｃｈｏｏｌ

ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ

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３０００７２，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｔｍｉｃａｎｄｄｙｎａｍｉｃｓｔｉｆｆｎｅｓｓｏｆｄｙｎａｍｉｃ

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｅｄ；ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ；ｓｔａｔｉｃａｎａｌｙｓｉｓ；ｍｏｄａｌ

ａｎａｌｙｓｉｓ；ｄｙｎａｍｉｃ

ａｎｄ

ｓｔａｔｉｃ

ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ

０

引言

和一般立、卧式加工中心相比，龙门式加工中心的

上对其结构优化，大幅度提高床身结构的静态刚度和固有频率，为床身结构设计提供参考。

床身为窄长条形结构，特别是动台式加工中心，床身则更长。因此，这样的长床身一般多由几段用螺钉连接成整体。床身是模具加工中心的基础部件，它的动、静态性能直接影响模具的加工精度。在结构的静、动态设计中使用有限元分析（ＦＥＡ）方法，可大大提高结构设计效率。本文利用ＡＮＳＹＳ软件对某龙门动台式模具加工中心的床身结构进行静、动态分析，并在此基础

收稿日期：２００８—１０—２８；修回日期：２００８—１２—３１?基金项目：国家自然科学基金资助项目（５０２７５１０５）

１

单自由度结构系统动、静刚度关系

对可以忽略阻尼的保守系统，假设系统初始状态

最大势能为Ｕｍａｘ，Ｕｍａｘ与结构静刚度ｋ和最大变形量￡有关，且成正比，可表示为：

Ｕｍａｘ＝八｜｜｝，Ｌ２）

（１）

根据能量守恒原则，振动中系统势能全部转化为动能Ｔｍａｘ，Ｔｍａｘ与结构系统质量ｍ、固有圆频率∞。以

作者简介：钟伟弘（１９６７一），女，山东平度人，天津理工大学副教授，主要从事光电检测及ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＭ研究，（Ｅ—ｍａｉｌ）ｚｗｈ４２６＠１２６．ｃｏｒｎ。

万方数据

?设计与研究?

及最大振幅Ａ有关，且成正比关系，可表示为：

Ｔｍａｘ＝ｇ（ｍ，∞。２，Ａ２）

（２）

由（２）可知，结构固有频率甜。与振幅Ａ成反比关系，∞。提高Ａ将降低。故固有频率可作为结构系统的动态优化参数。因Ｕｍａｘ＝Ｔｍａｘ，故静刚度ｋ与固有频率∞。２有正比关系。对于单自由度结构系统，其振动固有频率为：

１

／Ｔ－

，．、

∞ｏ

２磊√一ｍ

Ｌ

３

Ｊ

固有频率标志其动态特性的优劣，可作为动态优化目标。可见，＇ｔＯ。２∞ｋ固有频率提高，结构静刚度也相应提高。根据准静态理论Ｈ１，其静变形与低阶振型一致。故结构改进主要从提高薄弱环节的刚度人手，通过改进结构，可以同时提高动、静态性能。

２原床身模型结构有限元分析

２．１原模型结构

原模具加工中心床身结构由左、中、右三段组成，并由螺钉连接成一个整体。基本结构为板结构，主要为外板和内部肋板。肋板采用纵横交错的结构，筋板格间距约４００×５００ｍｍ，且有分布清砂孔的斜筋。计算模型的外壁厚３０ｍｍ，内部肋板厚２０ｍｍ。床身上部的导轨和排屑槽，与床身铸成一体。根据原床身结构，略去螺纹孔及局部支撑筋板等细节，采用板单元建立有限元模型如图１、图２所示。

图１原床身结构正面

２．２床身模态分析

床身拓扑结构较为复杂，计算材料选用铸铁，取材料弹性模量Ｅ＝１．４５×１０“Ｐａ，密度Ｐ＝７５５０ｋｇ／ｍ３，泊松比肛＝０．２５进行模态分析。原床身的前３阶模态振型分析结果如图３、图４、图５所示。

分析其固有频率值可知，第１、２阶固有频率较低，其振型均上下弯曲和对角扭曲，说明床身在上下和前

万方数据

组合机床与自动化加工技术

图５第三阶频率１０２．５Ｉｔｚ（前后弯曲）

后方向上动刚度较低。因此，结构改进主要从提高上

下前后抗弯刚度和抗扭刚度人手。２．３床身静态变形分析

床身工作时，在其上部安装工作台，在安装支撑面上（共８处）施加载荷，并计入床身自重，按照工作台在中间位置计算静态变形。图６是床身静态分析边界条件，模具和工作台重量加载在导轨面对应工作台的支撑块处，工作台底部左右两侧施加约束，计算其综合变

形如图７所示。床身的变形直接影响机床的工作精

２００９年第３期

度，尤其是工作台面内变形，因此，应专门提取工作台面内最大变形值。

图７床身综合变形轮廓

从图７综合变形轮廓分析可见，因床身结构对纵轴线不完全对称，故同一横截面上两导轨变形有所差异，导致两导轨磨损不均，严重影响加工精度，因此必须对结构加以改进。

３床身模型结构优化

３．１

基于静态变形分析的床身模型结构优化过程根据床身静态变形分析的结果，由于两导轨变形

存在差异，故首先考虑去掉结构不对称的斜筋板，并将筋板格距从原方案的４００×５００ｍｍ改为２００×３００ｍｍ，从表Ｉ方案１的第一行计算结果可见，各变形值大幅度减小，但由于筋板密度增加使整个机身重量增加，考虑到维持材料原成本，将内外壁筋板厚度由原方案的２０／３０ｍｍ，减为１５／２０ｍｍ，分析结果如表１方案１第二行所示。不仅重量稍有增加，刚度也不尽理想。

为提高抗扭曲刚度，将在导轨和底板之间添加水平横底板，并将导轨制成实心，考虑不能明显增加床身重量，将内外筋板进一步减薄为１２／１５ｍｍ，分析结果如表１中方案２第二行所示。分析结果表明床身重量比原方案重１．６吨。

万方数据

?设计与研究?

为减少重量，将横底板去掉，计算结果如表１中方案３所示，各变形较方案２的最终优化结果略有增大，因此横板对增加刚度所起到的作用不大。

为进一步减少重量，在去掉横板的基础上，分别设计了横向和纵、横两个方向均开出砂孔的方案，分析结果如表１方案４和方案５所示，其中内外板均采用１５／２０ｍｍ。从方案４、５计算结果可见，增开纵向出砂孔，重量减少不甚明显而各个变形却增大显著。

上述各方案对减重没有明显改观，因此在去掉开纵向出砂孔的基础上，为进一步减重，去掉排屑槽，将其改为外购件，分析结果见表１方案６。由计算结果可以看出，去掉排屑槽，重量下降明显，各个变形明显减小，刚度大幅度增加。

考虑简化铸造工艺，将内筋板的横向出砂孔改在底板上铸出，分析结果见表１方案７．虽然该方案较方案６重量稍有增加，但各个变形减少幅度较大，刚度提高明显。由优化过程可知，方案７为最佳。

表１床身结构改进方案比较

内外

综合工作台面内方案

壁厚变形最大变形重量（ｍｍ）

（“ｍ）

（恤ｍ）

（吨）

原方案：斜筋格距４００＋５００ｍｍ２０／３０８９．８７４．４３１３．２６方案（１）：无斜筋，格距２００

Ｘ

２０／３０５５，４５４４，７６１８．Ｊ２３００ｍｍ

１５／２０７７．０９６２．１２１４．１６１５／２０

３２．２２５．０３１６．７方案（２）：实心导轨，加横板

１２／１５

４１．０５３２．０１１４．８６方案（３）：去掉横板

１２／１５

４１．４

３２．２８

１４．０５

方案（４）：去掉横板，开横出砂１５／２０

孔

３５．０５２６．９３

１５．４１

方案（５）：去掉横板，开纵横出１５／２０４１．５３２．５７１５．１

砂孔

方案（６）横向开出砂孔，去掉排屑槽

１５／２０３０．６２２．０７１２．９２

方案（７）去掉横出砂孔、排屑１５／２０

槽，底面开出砂孔

２７．３２０．１２１３．１３

由上述优化结果可以看出，改变床身的结构，不仅减少了材料重量，降低成本，而且大幅度减小了变形，显著提高结构静态刚度。原床身结构与改进后方案的分析数值比较见表２。

表２原床身结构与改进方案７变形比较

项目综合变形（ｎｍ）

工作台面内变形（仙ｍ）

原方案８９．８７４．４３改进方案７２７．３２０．１２

变化百分比

一６９．６％

一７３．Ｏ％

?设计与研究?

３．２模型结构改进方案模态分析

改进模型的各阶固有频率件表３，由表中数据可知，床身的前３阶固有频率均有大幅度提高，其动刚度大大增加，改进增强了其最薄弱环节。且床身重量有所减轻，原床身重量１３．２６吨，改进床身重量１３．１３吨。重量稍有减轻的同时，动态性能均有很大幅度的提高。

表３

组合机床与自动化加工技术

［参考文献］

［１］徐燕申．机械动态设计［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９２．［２］张学玲．基于广义模块化设计的机械结构静、动态特性分

析与优化设计［Ｄ］．天津：天津大学，２００４．

［３］徐燕申，张学玲．基于ＦＥＭ的机械结构静、动态性能优化

设计［Ｊ］．西南交通大学学报，２００３，３８（５）：５１７—５２０．［４］张学玲，徐燕申，钟伟弘．基于有限元分析的数控机床床身

结构动态优化设计方法研究［Ｊ］．机械强度，２００５，２７（３）：

原床身结构与改进后床身结构动态性能比较

固有频率（Ｈｚ）

重量（吨）

１阶

２阶

５７．８１３０．４

３５３—３５７．

［５］张学玲，常林枫，唐毅，等．基于结构静动态设计方法的数

３阶

１０２．５２１６．７

１３．２６１３．１３

项目原方案改进方案７变化百分比

４０．８５５．５

控机床滑座结构改进［Ｊ］．组合机床与自动化加工技术，

２００６（１）：８８—９１．

［６］郭志全，徐燕申，张学玲，等．基于有限元的加工中心立柱

结构静、动态设计［Ｊ］．机械强度，２００６（２）：２８７—２９１．［７］徐燕申，张兴朝，牛占文，等．基于元结构和框架优选的数控

＋３６％＋１２５．６％＋１１１．５％一Ｏ．０８％

４

结论

复杂机械结构的静、动刚度与结构的布局有关，故

机床床身结构动态设计研究［Ｊ］．机械强度，２００１（１）：ｌ一３．［８］张宪栋，徐燕申，林汉元．基于ＦＥＭ的数控机床结构部件

静动态设计［Ｊ］．机械设计，２００５（５）：４６—４８．

［９］张兴朝．基于有限元分析的模块化数控机床结构动态设计

研究［Ｄ］．天津：天津大学，，２００１．

［１０］杨明亚，杨涛，阴红，等．有限元分析软件在机床床身模态

分析中的应用［Ｊ］．机电工程技术，２００７（１）：２５—２７．

（编辑李秀敏）

通过改变结构型式，可同时改善结构静、动刚度，提高其结构的静、动态性能，从而提高机床加工精度。

经过结构改进，床身的静刚度有显著提高，能够满足加工精度要求，动刚度也大幅提高，而且材料有所节省。该结构已经被生产厂家采用，投入制造。

（上接第２０页）

毛坯轮廓

大学学报（工程科学报），２０００，３２（１）：３５—３９．

［２］汪书勇，刘荣忠．基于ＯｂｊｅｅｔＡＲＸ的车凯图形自动编程系

统的研究［Ｊ］．四川大学学报（工程科学报），２００２，３４（６）：

８６—８９．

［３］罗忠诚，黄良沛．图形化数控车床自动编程系统的研究与

开发［Ｊ］．机床与液压，２００６（２）：７９—８１．

［４］孟凡东，杨者青．ＮＣ车削自动编程系统中信息输入建模方

法的研究［Ｊ］．沈阳航空工业学院学报，２００４，２１（３）：１２一

图２车削加工零件粗加工刀具轨迹

５

１４．

结论

以数控车削加工刀具轨迹规划与生成算法为研究

［５］刘志雄．基于特征描述的数控车床自动编程系统设计［Ｊ］．

机床与液压，２００３（３）：１５６—１５７．

［６］黄家翔．基于组件的数控自动编程系统的开发［Ｄ］．上海：

上海交通大学硕士学位论文。２０００．

［７］刘雄雁．数控车床图形编程系统软件的开发［Ｄ］．北京：北

京工业大学硕士学位论文，２００４．

［８］王乾廷．双刀车削数控编程技术研究［Ｄ］．合肥：合肥工业

大学博士学位论文，２００３．

［９］徐传明，等．基于ＡｕｔｏＣＡＤ平台及其开发工具的数控自动

编程系统［Ｊ］．机械设计与制造工程，２００１，３０（１）：３６—３８．［１０］张振宇，等．基于ＡｕｔｏＣＡＤ平台的数控车床自动编程系统

的实现［Ｊ］．甘肃工业大学学报，２００３，２９（２）：４３—４６．

（编辑李秀敏）

对象，通过综合分析由ＤＸＦ文件导入的车削零件几何图元信息，利用车削零件结构为回转体的特殊性，将零件轮廓细分为内轮廓和外轮廓，分别针对外轮廓粗加工、端面粗加工和切槽等加工形式提出并实现了车削加工刀具轨迹规划和生成算法，可视化输出刀具轨迹并按照相应机床特性信息文件进行后置处理，生成对应车削零件的车削刀具轨迹，形成数控车床的加工程序。通过一个应用实例说明了算法的有效性。

［参考文献］

［１］刘荣忠，敖洪．图形自动编程系统的研究和开发［Ｊ］．四川

?２４．

万方数据

基于有限元分析的模具加工中心床身结构优化设计

作者：作者单位：

钟伟弘， 徐燕申， 林汉元， ZHONG Wei-hong， XU Yan-shen， LIN Han-yuan

钟伟弘,ZHONG Wei-hong(天津理工大学,机械工程学院,天津,300384)， 徐燕申,XU Yan-shen(天津大学,先进陶瓷与加工技术教育部重点实验室,天津,300072)， 林汉元,LIN Han-yuan(天津第一机床总厂,天津,300180)

组合机床与自动化加工技术

MODULAR MACHINE TOOL & AUTOMATIC MANUFACTURING TECHNIQUE2009，(3)0次

刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次数：

参考文献(10条)1.机械动态设计 1992

2.基于广义模块化设计的机械结构静、动态特性分析与优化设计[学位论文] 2004

3.徐燕申.张学玲 基于FEM的机械结构静、动态性能优化设计[期刊论文]-西南交通大学学报 2003(5)4.张学玲.徐燕申.钟伟泓 基于有限元分析的数控机床床身结构动态优化设计方法研究[期刊论文]-机械强度2005(3)

5.张学玲.常林枫.唐毅.徐燕申.林汉元 基于结构静动态设计方法的数控机床滑座结构改进[期刊论文]-组合机床与自动化加工技术 2006(1)

6.郭志全.徐燕申.张学玲.林汉元 基于有限元的加工中心立柱结构静、动态设计[期刊论文]-机械强度 2006(2)7.徐燕申.张兴朝.牛占文.赵相松 基于元结构和框架优选的数控机床床身结构动态设计研究[期刊论文]-机械强度2001(1)

8.张宪栋.徐燕申.林汉元 基于FEM的数控机床结构部件静动态设计[期刊论文]-机械设计 2005(5)9.基于有限元分析的模块化数控机床结构动态设计研究 2001

10.杨明亚.杨涛.阴红.杨颖洁 有限元分析软件在机床床身模态分析中的应用[期刊论文]-机电工程技术 2007(1)

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  本文关键词：基于有限元的车床床身结构优化，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：245004