0 引言
當(dāng)今世界高速數(shù)控機(jī)床的研制是各個(gè)國(guó)家在裝備制造業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中博弈的一個(gè)重要方面。隨著世界制造業(yè)向著高速、高精度、高智能化方向發(fā)展,高速數(shù)控機(jī)床應(yīng)運(yùn)而生,成為滿(mǎn)足現(xiàn)代制造業(yè)特點(diǎn)的主要工具。本文以CLK5162高速數(shù)控銑床的立柱作為研究對(duì)象,對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性研究,檢驗(yàn)其能否滿(mǎn)足加工精度要求,并根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果盡可能對(duì)立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。
1立柱的實(shí)體建模與模態(tài)分析
CLK5162高速數(shù)控銑床主要用于加工各種高精度行 腔模具。通過(guò)SolidWorks2008軟件對(duì)機(jī)床實(shí)體建模,裝配 如圖1所示。對(duì)立柱進(jìn)行三維實(shí)體建模如圖2所示。
接著使用ANSYS10軟件對(duì)CLK5162高速數(shù)控銑床立 柱進(jìn)行模態(tài)分析。在立柱模型導(dǎo)入ANSYS10軟件之前,需 要對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化,目的是為了提升ANSYS10軟件劃分網(wǎng) 格的質(zhì)量和速度。所以把功能部件和非承載部件都省略 掉。部分非重要尺寸的圓弧過(guò)渡簡(jiǎn)化為直角過(guò)渡1。
立柱材料選定為HT250。選用ANSYS10軟件中提供 的SOLID45三維實(shí)體單元進(jìn)行有限元分析。取其材料泊 松比為0. 27,彈性模量為1. 175 x 105 MPa,密度為 7. 8 x103 kg/m3 2。設(shè)定立柱螺孔相應(yīng)節(jié)點(diǎn)位置處限制X、 Y、Z三個(gè)方向的自由度。對(duì)立柱進(jìn)行模態(tài)分析時(shí),由于激大,所以一般取低階頻率3。
立柱第一階固有頻率為422.51 Hz,最大變形量為
0. 1539 mm,變形為上部和橫梁接觸部分向上抬起。立柱 第二階固有頻率為443. 63 Hz,最大變形量為0. 1649 mm, 變形為立柱上部向下延伸部位向上抬起。立柱第三階固 有頻率為816. 28 Hz,最大變形量為0. 214 mm,表現(xiàn)為立后背面上部?jī)身斀俏恢门c橫梁接觸位置發(fā)生扭轉(zhuǎn)。立柱 第四階固有頻率為1101. 54 Hz,最大變形量為0. 2167 mm, 表現(xiàn)為前背面邊緣位置向上突起。立柱第五階固有頻率 為1449. 1 Hz,其最大變形量為0. 1788 mm,表現(xiàn)為整體繞 Z軸扭轉(zhuǎn)。
2立柱的優(yōu)化
機(jī)械設(shè)計(jì)中,任何設(shè)計(jì)方案都是可以進(jìn)行優(yōu)化的。優(yōu) 化設(shè)計(jì)的目的是尋找優(yōu)于原先設(shè)計(jì)的最優(yōu)方案。其中的 “最優(yōu)”是設(shè)計(jì)滿(mǎn)足實(shí)際的所有要求[4],并且要求所使用的 成本降到最低。使用ANSYS10軟件分析立柱得到其前五 階固有頻率和振型圖后,下邊從立柱的內(nèi)部筋板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 形式入手,改變筋板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式,以提高立柱的固有 頻率。
2.1筋板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式改進(jìn)
根據(jù)原立柱內(nèi)部筋板的設(shè)計(jì),在不改變?cè)⒅Y(jié)構(gòu)大 小尺寸的前提下,改變立柱筋板的厚度,由原來(lái)的12 mm 變?yōu)?0 mm。并參考國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)資料重新對(duì)筋板布置進(jìn) 行了設(shè)計(jì)。
通過(guò)改變立柱筋板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式,得到了四種筋板布 置類(lèi)型。其中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)1型為米字形結(jié)構(gòu),主要是水 平、豎直相間的筋板和對(duì)角線(xiàn)交錯(cuò)的筋板兩者結(jié)合組成。 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)2型是長(zhǎng)方形方格結(jié)構(gòu),是在立柱內(nèi)部構(gòu)造 —個(gè)長(zhǎng)方形框,并在長(zhǎng)方形框中等分三份。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn) 3型是交叉結(jié)構(gòu),是在改進(jìn)1型的基礎(chǔ)上去掉了橫豎相間 的筋板布置。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)4型屬于S型結(jié)構(gòu),在改進(jìn) 2型的基礎(chǔ)上去掉了水平布置的筋板,改由對(duì)角線(xiàn)單一布 置構(gòu)成S型結(jié)構(gòu)。
2.2筋板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式改進(jìn)后模態(tài)分析
對(duì)立柱筋板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式改進(jìn)后,采用和原來(lái)一樣的 分析條件,以便與原立柱的筋板設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比,找出相對(duì) 最優(yōu)設(shè)計(jì)形式。使用ANSYS10軟件分析,得到改變立柱筋 板厚度和改變立柱筋板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式的四種方案的前五 階固有頻率,如表1所示。
表1改變立柱筋板厚度和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式的 四種方案的前五階固有頻率
|
|
第一階 |
第二階 |
第三階 |
第四階 |
第五階 |
|
原設(shè)計(jì) |
422.51 |
443.63 |
816.28 |
1101.54 |
1449.1 |
|
改進(jìn)1型 |
454.1 |
483.82 |
881.23 |
1179.1 |
1434.2 |
|
改進(jìn)2型 |
421.5 |
448.55 |
831.39 |
1121.1 |
1475.1 |
|
改進(jìn)3型 |
455.1 |
472.25 |
868.71 |
1168.4 |
1462.7 |
|
改進(jìn)4型 |
429.41 |
452.98 |
850.1 |
1123.2 |
1451.9 |
|
原立柱改進(jìn) |
439.1 |
472.23 |
847.09 |
1146 |
1476.7 |
通過(guò)表1可得改進(jìn)筋板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的四種設(shè)計(jì)方案里, 只有改進(jìn)2型的前五階固有頻率低于原設(shè)計(jì)。主要是立 柱筋板厚度增加的緣故。其中改進(jìn)1型的方案立柱前五 階固有頻率最高。而原設(shè)計(jì)通過(guò)改進(jìn)筋板厚度得到的前 五階固有頻率和改進(jìn)1型對(duì)比可得,單純?cè)黾恿⒅畎宓?數(shù)量不能明顯提高立柱的固有頻率。而且單純?cè)黾咏畎?數(shù)量會(huì)使機(jī)床立柱制造成本提高,違背了機(jī)床輕量化設(shè)計(jì) 的原則。在滿(mǎn)足機(jī)床加工要求的前提下,應(yīng)盡可能減小立 柱的質(zhì)量。
所以,綜上考慮,選擇原立柱的筋板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式。
2.3改變筋板厚度后模態(tài)分析
確定立柱筋板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式后,筋板厚度還沒(méi)有確 定。故以原立柱的筋板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式為前提,取其厚度為 10 mm、15 mm、20 mm、25 mm建立立柱有限兀模型,來(lái)分 析不同厚度的筋板對(duì)立柱固有頻率的影響。不同厚度筋 板的立柱前五階固有頻率如表2所示。
|
表2不同厚度筋板的立柱前五階固有頻率 |
|
筋板厚度/mm |
第一階 |
第二階 |
第三階 |
第四階 |
第五階 |
|
10 |
410.34 |
431.81 |
786. 85 |
1089.1 |
1375.2 |
|
15 |
421.13 |
446. 37 |
811.16 |
1108.9 |
1460.3 |
|
20 |
438.14 |
464.03 |
847. 83 |
1149 |
1479.1 |
|
25 |
447.1 |
472. 52 |
870. 68 |
1171.8 |
1524.6 |
通過(guò)表2分析得到,隨著筋板厚度的逐步增加,立柱 固有頻率也不斷提高。但是固有頻率提高的幅度不同,差 異很大。綜合比較后,選擇厚度為20 mm筋板最合適。雖 然再增加筋板厚度還可以提高立柱的固有頻率,但是效果 不顯著。綜合考慮,最終選定立柱筋板厚度為20 mm。
3結(jié)論
通過(guò)對(duì)CLK5162高速數(shù)控銑床的立柱進(jìn)行分析,得到 立柱前五階固有頻率。通過(guò)改進(jìn)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形式,提 高了其固有頻率,為后續(xù)機(jī)床其他部件優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理 論支持。
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