基于有限元分析的現場銑床橫梁結構優(yōu)化

摘要：針對在加工中由于橫梁部件剛度不足在工件表面產生波紋狀刀痕的情況，使用三維軟件SolidWorks以及有限元分析插件CosmosWorks對現場銑床進行建模和靜、動態(tài)性能的分析，依據橫梁振動相對變形的振型和幅值，以及機床的工作環(huán)境和機床設計的結構力學理論，提出了對橫粱的幾項改進建議，通過有限元分析其性能有較大提高，并通過模態(tài)實驗進行驗證，將實測值與理論值對比可知，改進后橫梁具有較好的靜、動態(tài)性能，證明橫粱結構的優(yōu)化設計是可行的。

引言

    現場銑床是用于石化裝置的現場加工設備。為了適應現場的加工環(huán)境，要求現場銑床在滿足性能、精度等條件下，其質量和體積盡可能最小。銑床由于橫梁部件剛度不足在加工中工件表面產生波紋狀刀痕，影響了加工精度和表面質量。本文借助CosmosWorks有限元軟件，建立銑床有限元模型，對主要移動部件進行靜、動態(tài)性能分析，提出對銑床結構合理的改進方法。圖1為現場銑床的結構示意圖。

1 有限元模型的建立

    采川SolidWorks軟件建立現場銑床的三維實體模型主軸箱的重力及懸臂產生的扭矩M直接作用于橫梁，使得橫梁扭轉變形(見圖2)，所以橫梁為現場銑床的關鍵部件，它的剛度直接影響加工精度，因此把橫梁作為主要分析的對象。圖3為現場銑床橫梁的實體模型。

圖3 銑床橫梁的實體模型

2 橫梁原結構的有限元分析

2．1 模型簡化

    橫梁為鋼板焊接結構，閃此各個焊點均作為模型的剛性節(jié)點，將主軸箱簡化為和實際結構基本重量一致的箱形結構，考慮到主軸箱與滑板的接觸變形遠小于橫梁的變形，所以滑板與主軸箱的接觸面定義為剛性接觸。

圖4 施加載荷后的模型

2．2劃分網格

    對橫梁的實體模型導人CosmosWorks有限元軟件中，建立有限元計算模型，采用實體單元劃分網格，單元數目為17256，節(jié)點數目為9352，自由度數目為97659。

2．3 定義約束和施加載荷

    橫梁兩端通過螺釘固定在滑座上，在有限元模型中，把橫粱的邊界約束簡化為與同定螺栓位置相對應的節(jié)點的各個方向的自由度，即周定與螺栓位置相對應節(jié)點的各個自由度來實現對橫梁的約束，橫梁受力為主軸箱的重力和銑削力，橫梁的最大變形量發(fā)生在主軸箱運行到橫梁中間位置時：圖4為劃分網格后對橫梁和滑板施加載荷約束后的模型圖，通過求解，橫梁的最大變形量為0．1547mm，實測加工時為(0．15-0．20 mm)左右，分析結果與實際加工的誤差基本一致，遠大于工件0．06mm的平面度要求。圖5為原結構位移云圖。對機床進行模態(tài)分析，可以明顯表現出機床動態(tài)特性為圖6、7的第一、二階振型圖。表l為前五階的固有頻率和振型：通過分析可知第一階振型中橫梁在外力激勵下產生較大幅度的變形，在加工過程中使銑刀的定位精度變差，嚴重影響了工件的加工精度。因此要對橫梁的結構進行改進。

3 橫梁結構改進和分析

3．1 橫梁結構的改進

    從以上分析可知，橫梁的剛度不足是影響變形的主要原因。在橫梁改進設計中，考慮到機床的工作環(huán)境等方面因素，改進時對橫梁基本結構不作大的變動，為提高橫梁抗扭剛度采用了對角筋板抗扭理論，將橫梁內部的筋板改為x型；為了充分發(fā)揮縱向筋板的抗扭性能，筋板布置角度應盡量與水平面成45。和135。的方向，改進的方案如下：

(1)將筋板數量由原3塊變?yōu)?塊，厚度由10mm增加到15mm；

(2)在橫梁內部加一條縱向的水平筋板s．厚度為15mm；

(3)將梯形角d由16。增大為20。；

(4)橫梁內部新增X型筋板，厚度為15mm，寬為30mm。改進后的結構見圖8。

3．2 有限元分析

    將改進后的橫梁模型導入有限元分析軟件中，經過分析計算后得出橫梁的變形(見圖9)以及橫梁的振型結果，橫梁在加工過程中的最大變形量為0．056mm，改進后橫梁最大變形量比改進前明顯降低。

3．3計算結果與實驗驗證

    為驗證上述改進的合理性，對銑床進行了模態(tài)實驗。用一剛度小的索懸掛激振器，分別在主軸端部的三個方向上對機床進行正弦掃頻激勵，在銑床上布置了14個測點，通過安裝在主軸端前端、橫梁上部和滑板上的8個加速度傳感器拾取系統的振動信號，對其進行模態(tài)分析。

    從表2中可以看出，本文的計算結果與試驗測試結果比較吻合，橫梁動態(tài)性能有了明顯提高。其中，一階頻率偏差相對較大，這是因為機床主軸箱與滑板的接觸剛度在計算時沒有考慮，導致一階模態(tài)結果偏小。

4 結束語

    通過有限元法對原橫梁及改進后的動態(tài)分析和對比，探討橫梁內部筋板的布局對其動態(tài)性能的影響，并以橫粱振動模態(tài)相對位移量的大小為設計的參考依據，提出了對橫梁的改進建議，并通過實驗驗證，橫梁結構的優(yōu)化設計是可行的，對減小其變形量、提高加工精度起到良好的作用。