基于動(dòng)力學(xué)特征的磨床床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化布局設(shè)計(jì)
1 引言床身結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性與機(jī)床的整機(jī)性能有著密切關(guān)系,提高機(jī)床床身的動(dòng)態(tài)特性,對(duì)保證機(jī)床的加工精度具有重要意義压汪。傳統(tǒng)的機(jī)床床身設(shè)計(jì),尚處于經(jīng)驗(yàn)牵囤、靜態(tài)硬爆、類比的設(shè)計(jì)階段,難以考慮機(jī)床零部件的動(dòng)態(tài)特性對(duì)整機(jī)性能的影響欣舵。本文借助ANSYS軟件建立內(nèi)圓磨床床身及改進(jìn)方案的有限元模型,找出床身在動(dòng)力學(xué)特性上的缺陷,并對(duì)模型的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析,探討實(shí)現(xiàn)機(jī)床動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)的途徑擎鸠。 2 分析模型結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型及分析 床身長2160mm,寬760mm,高750mm。導(dǎo)軌形式為,—平導(dǎo)軌,內(nèi)部有兩條橫向垂直筋板支撐導(dǎo)軌缘圈。床身前壁開有大窗口,內(nèi)部筋板縱橫相間,并有多條加強(qiáng)小筋板,底部為封閉形式,床身外壁厚18mm,筋板厚14mm劣光。
圖1 磨床床身有限元模型及振型示意圖
床身采用體單元建模(圖1a)。第一階振動(dòng)頻率為289.5Hz,為相對(duì)位移量較大的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)(圖1b)糟把。這反映出原床身在磨削力激勵(lì)下容易產(chǎn)生大幅扭振,使磨削表面產(chǎn)生振紋,導(dǎo)致磨削精度的下降绢涡。 造成抗扭剛度不足的主要原因?yàn)榇采韮?nèi)部筋板布置不合理、床身正面開有大窗口而使縱橫筋板斷開所致堡雁。針對(duì)上述分析,在考慮床身外型尺寸不變的前提下,對(duì)床身內(nèi)部筋板結(jié)構(gòu)和布局作相應(yīng)的修改,提出了四個(gè)改進(jìn)方案搀尊。本文將分析床身內(nèi)部筋板數(shù)目和布局的變化對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性的影響,為實(shí)現(xiàn)床身的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供必要的依據(jù)。改進(jìn)模型 由于床身基本功能的要求,其外型尺寸基本上是確定的,所以內(nèi)部筋板布局是調(diào)節(jié)床身動(dòng)力學(xué)特性的較好著眼點(diǎn)淹佃。 改進(jìn)型床身底部采用非封閉結(jié)構(gòu),外壁厚16mm,內(nèi)部筋板厚12mm遂遂。同時(shí)為保證床身導(dǎo)軌具有較高的靜剛度,改進(jìn)型床身內(nèi)部支撐導(dǎo)軌的橫向垂直筋板不變,V—平導(dǎo)軌的間距不變,其它兩個(gè)方向的筋板布局如圖2 所示。
圖2 床身結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的模型
改進(jìn)a型:床身內(nèi)部有三條水平筋板和三條縱向垂直筋板旁囤。
改進(jìn)b型:床身內(nèi)部有二條水平筋板和三條縱向垂直筋板悟肉。
改進(jìn)c型:床身內(nèi)部有二條水平筋板和二條縱向垂直筋板。
改進(jìn)d型:床身內(nèi)部有二條水平筋板和三條縱向垂直筋板(與改進(jìn)b型的區(qū)別在于一條水平筋板的位置不同)缭越。
3 動(dòng)態(tài)分析及結(jié)果
對(duì)于高精度磨床,機(jī)床結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性是影響機(jī)床性能的關(guān)鍵因素之一乞挥。考慮到機(jī)床的工作頻帶,床身的前幾階模態(tài)特性有重要作用秋鹅。最典型的是考慮第一階模態(tài)頻率及其對(duì)應(yīng)的振型赤巢。 床身的振動(dòng)特性比較表 第一階頻率
(Hz)
振型 導(dǎo)軌振動(dòng)模態(tài)相對(duì)
位移量平均值**
原床身 289.5 扭轉(zhuǎn) 0.7450 改進(jìn)a型 440.6 扭轉(zhuǎn) 0.6021 改進(jìn)b型 347.6 扭轉(zhuǎn) 0.4371 改進(jìn)c型 424.0 扭轉(zhuǎn) 0.7313 改進(jìn)d型 375.0 扭轉(zhuǎn) 0.3671 **為同一歸一化標(biāo)準(zhǔn)下的機(jī)床床身V—平型導(dǎo)軌相對(duì)振動(dòng)位移量
對(duì)床身有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析,結(jié)果如附表所示。從表中可看出,改進(jìn)型第一階扭轉(zhuǎn)振型的固有頻率比原床身均有很大提高,根據(jù)w1=(k1/m1)?(式中w1為固有頻率,k1析崎、m1分別為對(duì)應(yīng)的模態(tài)剛度和質(zhì)量)可知,改進(jìn)型床身的抗扭剛度有了顯著提高,達(dá)到了對(duì)床身改進(jìn)設(shè)計(jì)的目的之一仁热。 可見,床身的水平筋板能明顯提高床身的抗扭剛度。改進(jìn)a型內(nèi)部有三條水平筋板和縱向垂直筋板,改進(jìn)c型內(nèi)部有兩條水平筋板和縱向垂直筋板,其動(dòng)剛度都很高,但導(dǎo)軌振動(dòng)模態(tài)相對(duì)位移量卻很大勾哩。改進(jìn)d型的動(dòng)剛度小于改進(jìn)c型,但導(dǎo)軌振動(dòng)模態(tài)相對(duì)位移量小抗蠢。這說明以板塊結(jié)構(gòu)為主的床身的動(dòng)態(tài)特性受各板塊振型的綜合影響,不能只憑動(dòng)剛度的大小作為評(píng)定指標(biāo)。改進(jìn)d型比較于改進(jìn)c型,多一縱向垂直筋板,但反使抗扭剛度下降思劳。改進(jìn)b型和改進(jìn)d型僅有一條水平筋板的位置不同,卻造成其動(dòng)態(tài)特性有較大的差異迅矛。由此可見,片面增加筋板并不一定能提高床身的動(dòng)剛度,它是總體結(jié)構(gòu)綜合作用的結(jié)果。
由于床身導(dǎo)軌振動(dòng)模態(tài)相對(duì)位移量的大小是影響磨床加工精度的主要因素,所以要以床身導(dǎo)軌的振動(dòng)模態(tài)相對(duì)位移量的大小為設(shè)計(jì)參考的主要依據(jù),同時(shí)兼顧機(jī)床動(dòng)剛度和振型等特性指標(biāo)潜叛。通過上述分析和比較,改進(jìn)d型的導(dǎo)軌振動(dòng)模態(tài)相對(duì)位移量最小,且導(dǎo)軌動(dòng)剛度較高秽褒。所以,經(jīng)綜合比較后應(yīng)選用改進(jìn)d型這一設(shè)計(jì)方案。
(責(zé)編:阿 杰)
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