基于有限元分析的現(xiàn)場(chǎng)銑床橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化

摘要：針對(duì)在加工中由于橫梁部件剛度不足在工件表面產(chǎn)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(duì)現(xiàn)場(chǎng)銑床進(jìn)行建模和靜、動(dòng)態(tài)性能的分析，依據(jù)橫梁振動(dòng)相對(duì)變形的振型和幅值，以及機(jī)床的工作環(huán)境和機(jī)床設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)力學(xué)理論，提出了對(duì)橫粱的幾項(xiàng)改進(jìn)建議，通過(guò)有限元分析其性能有較大提高，并通過(guò)模態(tài)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，將實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比可知，改進(jìn)后橫梁具有較好的靜、動(dòng)態(tài)性能，證明橫粱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是可行的。

引言

    現(xiàn)場(chǎng)銑床是用于石化裝置的現(xiàn)場(chǎng)加工設(shè)備。為了適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的加工環(huán)境，要求現(xiàn)場(chǎng)銑床在滿(mǎn)足性能、精度等條件下，其質(zhì)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(chǎn)生波紋狀刀痕，影響了加工精度和表面質(zhì)量。本文借助CosmosWorks有限元軟件，建立銑床有限元模型，對(duì)主要移動(dòng)部件進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)性能分析，提出對(duì)銑床結(jié)構(gòu)合理的改進(jìn)方法。圖1為現(xiàn)場(chǎng)銑床的結(jié)構(gòu)示意圖。

1 有限元模型的建立

    采川SolidWorks軟件建立現(xiàn)場(chǎng)銑床的三維實(shí)體模型主軸箱的重力及懸臂產(chǎn)生的扭矩M直接作用于橫梁，使得橫梁扭轉(zhuǎn)變形(見(jiàn)圖2)，所以橫梁為現(xiàn)場(chǎng)銑床的關(guān)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(duì)象。圖3為現(xiàn)場(chǎng)銑床橫梁的實(shí)體模型。

圖3 銑床橫梁的實(shí)體模型

2 橫梁原結(jié)構(gòu)的有限元分析

2．1 模型簡(jiǎn)化

    橫梁為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，閃此各個(gè)焊點(diǎn)均作為模型的剛性節(jié)點(diǎn)，將主軸箱簡(jiǎn)化為和實(shí)際結(jié)構(gòu)基本重量一致的箱形結(jié)構(gòu)，考慮到主軸箱與滑板的接觸變形遠(yuǎn)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(wǎng)格

    對(duì)橫梁的實(shí)體模型導(dǎo)人CosmosWorks有限元軟件中，建立有限元計(jì)算模型，采用實(shí)體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，單元數(shù)目為17256，節(jié)點(diǎn)數(shù)目為9352，自由度數(shù)目為97659。

2．3 定義約束和施加載荷

    橫梁兩端通過(guò)螺釘固定在滑座上，在有限元模型中，把橫粱的邊界約束簡(jiǎn)化為與同定螺栓位置相對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn)的各個(gè)方向的自由度，即周定與螺栓位置相對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的各個(gè)自由度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(yùn)行到橫梁中間位置時(shí)：圖4為劃分網(wǎng)格后對(duì)橫梁和滑板施加載荷約束后的模型圖，通過(guò)求解，橫梁的最大變形量為0．1547mm，實(shí)測(cè)加工時(shí)為(0．15-0．20 mm)左右，分析結(jié)果與實(shí)際加工的誤差基本一致，遠(yuǎn)大于工件0．06mm的平面度要求。圖5為原結(jié)構(gòu)位移云圖。對(duì)機(jī)床進(jìn)行模態(tài)分析，可以明顯表現(xiàn)出機(jī)床動(dòng)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(guò)分析可知第一階振型中橫梁在外力激勵(lì)下產(chǎn)生較大幅度的變形，在加工過(guò)程中使銑刀的定位精度變差，嚴(yán)重影響了工件的加工精度。因此要對(duì)橫梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

3 橫梁結(jié)構(gòu)改進(jìn)和分析

3．1 橫梁結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

    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(jìn)設(shè)計(jì)中，考慮到機(jī)床的工作環(huán)境等方面因素，改進(jìn)時(shí)對(duì)橫梁基本結(jié)構(gòu)不作大的變動(dòng)，為提高橫梁抗扭剛度采用了對(duì)角筋板抗扭理論，將橫梁內(nèi)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(yīng)盡量與水平面成45。和135。的方向，改進(jìn)的方案如下：

(1)將筋板數(shù)量由原3塊變?yōu)?塊，厚度由10mm增加到15mm；

(2)在橫梁內(nèi)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(nèi)部新增X型筋板，厚度為15mm，寬為30mm。改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖8。

3．2 有限元分析

    將改進(jìn)后的橫梁模型導(dǎo)入有限元分析軟件中，經(jīng)過(guò)分析計(jì)算后得出橫梁的變形(見(jiàn)圖9)以及橫梁的振型結(jié)果，橫梁在加工過(guò)程中的最大變形量為0．056mm，改進(jìn)后橫梁最大變形量比改進(jìn)前明顯降低。

3．3計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

    為驗(yàn)證上述改進(jìn)的合理性，對(duì)銑床進(jìn)行了模態(tài)實(shí)驗(yàn)。用一剛度小的索懸掛激振器，分別在主軸端部的三個(gè)方向上對(duì)機(jī)床進(jìn)行正弦掃頻激勵(lì)，在銑床上布置了14個(gè)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)安裝在主軸端前端、橫梁上部和滑板上的8個(gè)加速度傳感器拾取系統(tǒng)的振動(dòng)信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析。

    從表2中可以看出，本文的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果比較吻合，橫梁動(dòng)態(tài)性能有了明顯提高。其中，一階頻率偏差相對(duì)較大，這是因?yàn)闄C(jī)床主軸箱與滑板的接觸剛度在計(jì)算時(shí)沒(méi)有考慮，導(dǎo)致一階模態(tài)結(jié)果偏小。

4 結(jié)束語(yǔ)

    通過(guò)有限元法對(duì)原橫梁及改進(jìn)后的動(dòng)態(tài)分析和對(duì)比，探討橫梁內(nèi)部筋板的布局對(duì)其動(dòng)態(tài)性能的影響，并以橫粱振動(dòng)模態(tài)相對(duì)位移量的大小為設(shè)計(jì)的參考依據(jù)，提出了對(duì)橫梁的改進(jìn)建議，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，橫梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是可行的，對(duì)減小其變形量、提高加工精度起到良好的作用。