基于有限元分析的现场铣床横梁结构优化

洁学喜铭

摘要：针对在加工中由于横梁部件刚度不足在工件表面产生波纹状刀痕的情况，使用三维软件SolidWorks以及有限元分析插件CosmosWorks对现场铣床进行建模和静、动态性能的分析，依据横梁振动相对变形的振型和幅值，以及机床的工作环境和机床设计的结构力学理论，提出了对横粱的几项改进建议，通过有限元分析其性能有较大提高，并通过模态实验进行验证，将实测值与理论值对比可知，改进后横梁具有较好的静、动态性能，证明横粱结构的优化设计是可行的。
　　引言
" u0 g8 S: j. ^+ U  q1 h/ x2 {" O　　现场铣床是用于石化装置的现场加工设备。为了适应现场的加工环境，要求现场铣床在满足性能、精度等条件下，其质量和体积尽可能最小。铣床由于横梁部件刚度不足在加工中工件表面产生波纹状刀痕，影响了加工精度和表面质量。本文借助CosmosWorks有限元软件，建立铣床有限元模型，对主要移动部件进行静、动态性能分析，提出对铣床结构合理的改进方法。图1为现场铣床的结构示意图。

　　1 有限元模型的建立
' S' i& F; m. R9 R2 @+ d　　采川SolidWorks软件建立现场铣床的三维实体模型主轴箱的重力及悬臂产生的扭矩M直接作用于横梁，使得横梁扭转变形(见图2)，所以横梁为现场铣床的关键部件，它的刚度直接影响加工精度，因此把横梁作为主要分析的对象。图3为现场铣床横梁的实体模型。

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! X) a( i  _2 ]: i! p- Z图3 铣床横梁的实体模型
! |; k! U9 E& b/ o/ I2 K6 R　　2 横梁原结构的有限元分析
　　2．1 模型简化
- d# R4 B: G) l+ O( T# Q( k! U　　横梁为钢板焊接结构，闪此各个焊点均作为模型的刚性节点，将主轴箱简化为和实际结构基本重量一致的箱形结构，考虑到主轴箱与滑板的接触变形远小于横梁的变形，所以滑板与主轴箱的接触面定义为刚性接触。

; E9 o2 q0 p+ `- W+ b图4 施加载荷后的模型
$ G5 X) G! D7 F) m　　2．2划分网格
: w# L2 z7 ]5 {: F" t$ V　　对横梁的实体模型导人CosmosWorks有限元软件中，建立有限元计算模型，采用实体单元划分网格，单元数目为17256，节点数目为9352，自由度数目为97659。
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　　2．3 定义约束和施加载荷
3 {: h( f/ a1 @% H; q　　横梁两端通过螺钉固定在滑座上，在有限元模型中，把横粱的边界约束简化为与同定螺栓位置相对应的节点的各个方向的自由度，即周定与螺栓位置相对应节点的各个自由度来实现对横梁的约束，横梁受力为主轴箱的重力和铣削力，横梁的最大变形量发生在主轴箱运行到横梁中间位置时：图4为划分网格后对横梁和滑板施加载荷约束后的模型图，通过求解，横梁的最大变形量为0．1547mm，实测加工时为(0．15-0．20 mm)左右，分析结果与实际加工的误差基本一致，远大于工件0．06mm的平面度要求。图5为原结构位移云图。对机床进行模态分析，可以明显表现出机床动态特性为图6、7的第一、二阶振型图。表l为前五阶的固有频率和振型：通过分析可知第一阶振型中横梁在外力激励下产生较大幅度的变形，在加工过程中使铣刀的定位精度变差，严重影响了工件的加工精度。因此要对横梁的结构进行改进。
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& j% W% T: v3 t　　3 横梁结构改进和分析
7 R) ]* ], s5 G& L  q　　3．1 横梁结构的改进
. i* f( V0 N6 ^( _　　从以上分析可知，横梁的刚度不足是影响变形的主要原因。在横梁改进设计中，考虑到机床的工作环境等方面因素，改进时对横梁基本结构不作大的变动，为提高横梁抗扭刚度采用了对角筋板抗扭理论，将横梁内部的筋板改为x型；为了充分发挥纵向筋板的抗扭性能，筋板布置角度应尽量与水平面成45。和135。的方向，改进的方案如下：
　　(1)将筋板数量由原3块变为5块，厚度由10mm增加到15mm；
0 C3 M) t  j$ ?1 Q/ p+ f' P4 [, F　　(2)在横梁内部加一条纵向的水平筋板s．厚度为15mm；
1 J8 p0 A. H/ V- P- A8 k　　(3)将梯形角d由16。增大为20。；
0 J8 W0 {) |0 Z+ i2 N　　(4)横梁内部新增X型筋板，厚度为15mm，宽为30mm。改进后的结构见图8。
7 \( o9 |% C2 @/ I6 ~* A+ h　　3．2 有限元分析
6 |/ m1 N2 w4 j, O　　将改进后的横梁模型导入有限元分析软件中，经过分析计算后得出横梁的变形(见图9)以及横梁的振型结果，横梁在加工过程中的最大变形量为0．056mm，改进后横梁最大变形量比改进前明显降低。

　　3．3计算结果与实验验证
1 f9 B- j) l+ a　　为验证上述改进的合理性，对铣床进行了模态实验。用一刚度小的索悬挂激振器，分别在主轴端部的三个方向上对机床进行正弦扫频激励，在铣床上布置了14个测点，通过安装在主轴端前端、横梁上部和滑板上的8个加速度传感器拾取系统的振动信号，对其进行模态分析。
　　从表2中可以看出，本文的计算结果与试验测试结果比较吻合，横梁动态性能有了明显提高。其中，一阶频率偏差相对较大，这是因为机床主轴箱与滑板的接触刚度在计算时没有考虑，导致一阶模态结果偏小。
4 H  q( h: U' S5 C$ b+ n% S  c
9 H: W$ P- |6 k. {　　4 结束语
$ v* ]/ v. I, H' i5 g7 [　　通过有限元法对原横梁及改进后的动态分析和对比，探讨横梁内部筋板的布局对其动态性能的影响，并以横粱振动模态相对位移量的大小为设计的参考依据，提出了对横梁的改进建议，并通过实验验证，横梁结构的优化设计是可行的，对减小其变形量、提高加工精度起到良好的作用。【MechNet】
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