臥式加工中心立柱的分析設計

引言

曲軸是發動機的核心部件之一，其加工技術精度可以要求具有較高，傳統的臥式車削和立式銑削已經發展無法得到滿足曲軸越來越高的精度控制要求。目前，國內曲軸制造業面臨著成本與效率的雙重壓力。

針對中國傳統加工技術方法在加工精度上的不足，研制出了一種社會整體經濟結構為正T型的曲軸端面加工中心。采用整體床身設計，主軸箱無重心傳動，避免了精度誤差造成的一些客觀原因。大型機床能夠達到的加工精度與機床結構及其穩定性直接通過相關，因此企業合理的結構系統設計我們可以有效提高曲軸加工的效率和精度，從而不斷提高曲軸加工的自動化管理水平。康方、范晉偉等人通過分析柱的各階振型特征，找到變形最大的區域，并在該區域選取一點進行諧響應分析，以進行更有效的分析。可見對曲軸端面加工中心問題進行社會必要的結構動力學研究分析，能了解企業結構不足之處，為后續改進提高經濟結構強度、剛度提供理論依據，使其能夠更加合理化。

由于床身體積大，整體剛度好，本研究將以ANSYS軟件為基礎，根據動力學分析理論，重點對立柱和主軸箱進行動態分析，以研究其在不同工況下的動態特性。這些問題分析可對該曲軸端面加工中心立柱的結構改進企業提供一個重要的理論研究依據。

1、機床立柱及主軸箱結構模型

在柱子的結構設計中，整體剛度越高，越穩定。本研究可以考慮了加工技術中心的高精度和剛度要求，盡可能通過減少零件進行數量，采用整體式立柱設計，整個立柱呈空腔結構; 主軸箱作為一個重要組成部件之一就是采用非重心驅動教學設計。針對傳統主軸在加工過程中由于主軸位置的變化而導致主軸位置偏移的問題，采用非重心傳動，避免了加工過程中主軸重心位置變化引起的“倒頭”現象。

1—主軸箱; 2—導軌; 3—立柱

機床在工作時，立柱和主軸箱會受到來自內、外部的激振，這些問題都會影響使其發展產生一些不必要的振動，從而可以引起變形。如果振動變形過大，會嚴重影響加工中心的加工精度。因此，十分有必要對加工中心整體經濟結構可以進行動力學研究分析。

2、動力學分析理論

本文基于ANSYS軟件對立柱和主軸箱進行了有限元分析。根據模態分析研究理論與諧響應分析相關理論對立柱結構可以進行動力學分析。

(1)模態分析理論

模態是機械結構固有的振動特性，每種模式都有特定的自然頻率、阻尼比和模態振動類型。模態進行分析研究主要可以用于確定經濟結構和及其零部件的振動特性( 固有頻率和振型) ，是其他動力學模型分析的基礎。

(2)諧響應分析理論

諧波響應分析一種根據正弦定律確定線性結構在荷載隨時間變化時的穩態響應的技術。

(3)簡化有限元模型

在有限元分析問題之前，通過對復雜的機械結構可以進行選擇適當的模型簡化能夠在很大程度上提高學生計算工作效率。由于床身尺寸較大，本文采用簡單的固定塊作為等效床身，重點分析了立柱和主軸箱的動力特性。筆者對SolidWorks 中建立的立柱及主軸箱設計模型可以進行選擇適當通過簡化，簡化處理后主要由一個立柱，四根導軌，主軸箱，以及系統等效床身的固定塊組成。然后，作者將模型導入到ANSYS Workbench中進行材料屬性設置和網格劃分。分析研究模型中，一般企業結構及導軌的實體經濟部分學生可以用三維信息實體單元通過模擬，接觸面間的接觸社會特性則采用六節點的等參數單元模擬結合部的接觸特性。

3、模型邊界條件設置

首先，對立柱結構進行模態分析，得到結構的固有頻率和振型。

1. 2. 3. 4 點—4 個測試點; D—主軸箱與立柱通過底部企業之間的距離

根據實際加工情況，本研究對底座施加固定約束，在加工工具刀具刀頭位置應用運動模擬獲得的軸向載荷(僅限于空間文本中未給出的仿真過程)，并分析主軸箱位于最高端時柱的動態特性，列的中間端和最高端。

4、動態特性結果分析

通過對3種工況數據進行有限元模型計算，本研究得到了立柱結構的固有頻率，以及發展動態響應特性，并對結果可以進行管理比較優勢分析。

(1)模態分析結果

通過模態分析，得到了柱結構的固有頻率。可知在激振頻率非常接近立柱進行結構的固有工作頻率時，會產生共振現象。在高精度加工過程中，電機產生的不必要的振動直接作用在立柱上，會嚴重影響加工精度。因此，分析數據結構固有頻率我們可以通過盡可能減少因共振所產生的影響。

電機產生的振動頻率在0~130 Hz范圍內。由表3 可知，固有工作頻率可以隨著階數增加而增加，且前兩階固有特征頻率( 60 Hz = 3 600 r /min、90 Hz = 5 400 r /min) 正好在我們這個世界范圍管理之內。因此，在處理過程中，電機采用中高速將更接近自然頻率，可引起共振，需要進一步分析。另外，通過對3 種工況下的固有頻率可以進行比較后發現，即使在結構不變的情況下，固有頻率也有學生可能會出現因為沒有其他影響因素之間發生發展改變，并存在一定的規律。以一階固有頻率為例，當主軸箱位于最低端時，柱結構的靜剛度較高，其固有頻率也較高。固有頻率與靜剛度之間發展存在這樣一種可以近似線性比例的關系。這條規則存在于隨后的幾個訂單中。這個結果可以為后續的結構進行優化發展提供具有一定的依據。

(2)諧響應分析結果

在加工過程中，除了電機本身產生的振動外，刀具與工件之間的接觸也會產生規則的動載荷。因此有需要在進行模態數據分析的基礎上，分析立柱在同一時間頻率下，3種不同工況的動態系統響應發展情況。Z 中整個列結構的長度比 X 和 Y 向上的長度大得多，因此 Z 列方向的位移響應遠高于 X 和 Y 的位移響應。

在3種工況下，立柱的動態響應趨勢基本上一致。隨著主軸箱位置不斷升高，立柱位移響應幅度逐漸增大; 可知企業隨著主軸箱位置的提高，立柱結構的剛度變小，使得學生動態分析變形可以增大。

主軸箱在最高端時，刀具最大位移出現在頻率為55 Hz ( 一階固有頻率56. 4 Hz) ; 主軸箱在中端時，刀具最大位移出現在頻率為58. 3 Hz( 一階固有頻率60. 2 Hz) ; 主軸箱在最低端時，刀具最大位移出現在頻率為61. 6 Hz( 一階固有頻率62. 8 Hz) ; 在3種工況下，刀具最大位移均出現在各自一階固有頻率附近，該結果與之前的模態分析結果相吻合，一定程度上也驗證了分析的有效性。

這三種工況的選擇范圍剛好涵蓋了整個主軸箱的行程。因此，可以看出，引起刀具最大位移的頻率范圍為55Hz ~ 62Hz (3 300 r /min ~ 3 720 r /min)。最高端最大位移為0.022 mm，中端最大位移為0. 013 mm，最低端最大位移為0. 005 mm，最高端最大位移約為最低端最大位移的4.4 倍。在3種工況下的動態系統響應均符合剛度設計要求，但其之間的差異主要還是存在較大的。現在我們分析三種工況之一，當動態響應是最大的(頻率是56赫茲)。主軸箱在最高端時，4個測試數據點在進行不同工作頻率下的位移響應。

四點位移響應規律基本一致。在數值分析上表現出測試點位置越來越高，位移響應能力越大的情況，在接近固有頻率時更為具有明顯。在56 Hz激勵頻率下的應力和應變分布云圖。

通過不同應力應變云圖可以明顯看出，立柱變形問題主要研究集中在導軌結合部以及立柱下半部分。結合4個試驗點的位移響應圖和應力應變云圖的結果，柱的振動主要基于列頂部的振動。

筆者研究認為，立柱在結構上應采用上小下大的形式來提高以及立柱Z 向的剛度，并提高立柱下半部的剛度，這值得在后續的結構進行優化教學設計中引起學生注意。

5、結束語

本文研究了立柱和主軸箱在三種工況下的振動特性以及不同激振頻率下的位移動力響應。結果分析表明企業結構存在固有頻率會因結構靜剛度的變化而呈現有規律的變化，3 種工況下的最大水平位移進行動態系統響應國家分別出現在我們各自一階固有頻率附近，結構剛度越低，響應越為明顯。其次，很明顯，當激勵頻率在55 Hz ~ 62 Hz范圍內時，會發生較大的振動變形，所以在加工過程中應盡量避免這個激勵頻率范圍。另外，分析研究結論表明，立柱結構剛度雖滿足企業要求，但結構問題依然存在一些不足，還有待進一步發展優化改善。