CLK5162高速數控銑床立柱動態性能分析及優化
0引言當今世界高速精工機床的研制是各個國家在裝備制造業競爭中博弈的一個重要方面。隨著世界制造業向著高速、高精度、高智能化方向發展，高速精工機床應運而生，成為滿足現代制造業特點的主要工具。本文以CLK5162高速精工銑床的立柱作為研究對象，對其進行動態特性研究，檢驗其能否滿足加工精度要求，并根據檢驗結果盡可能對立柱結構進行設計優化。1立柱的實體建模與模態分析CLK5162高速精工銑床主要用于加工各種高精度行 腔模具。通過SolidWorks2008軟件對機床實體建模，裝配 如圖1所示。對立柱進行三維實體建模如圖2所示。接著使用ANSYS10軟件對CLK5162高速精工銑床立 柱進行模態分析。在立柱模型導入ANSYS10軟件之前，需 要對其進行簡化，目的是為了提升ANSYS10軟件劃分網 格的質量和速度。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渡簡化為直角過渡1。立柱材料選定為HT250。選用ANSYS10軟件中提供 的SOLID45三維實體單元進行有限元分析。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。設定立柱螺孔相應節點位置處限制X、 Y、Z三個方向的自由度。對立柱進行模態分析時，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,表現為立后背面上部兩頂角位置與橫梁接觸位置發生扭轉。立柱 第四階固有頻率為1101. 54 Hz,最大變形量為0. 2167 mm, 表現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,表現為整體繞 Z軸扭轉。2立柱的優化機械設計中，任何設計方案都是可以進行優化的。優 化設計的目的是尋找優于原先設計的最優方案。其中的 “最優”是設計滿足實際的所有要求[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，下邊從立柱的內部筋板結構設計 形式入手，改變筋板結構設計形式，以提高立柱的固有 頻率。2.1筋板結構設計形式改進根據原立柱內部筋板的設計，在不改變原立柱結構大 小尺寸的前提下，改變立柱筋板的厚度，由原來的12 mm 變為20 mm。并參考國內外設計資料重新對筋板布置進 行了設計。通過改變立柱筋板結構設計形式，得到了四種筋板布 置類型。其中結構設計改進1型為米字形結構，主要是水 平、豎直相間的筋板和對角線交錯的筋板兩者結合組成。 結構設計改進2型是長方形方格結構，是在立柱內部構造 —個長方形框，并在長方形框中等分三份。結構設計改進 3型是交叉結構，是在改進1型的基礎上去掉了橫豎相間 的筋板布置。結構設計改進4型屬于S型結構，在改進 2型的基礎上去掉了水平布置的筋板，改由對角線單一布 置構成S型結構。2.2筋板結構設計形式改進后模態分析對立柱筋板結構設計形式改進后，采用和原來一樣的 分析條件，以便與原立柱的筋板設計進行對比，找出相對 最優設計形式。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構設計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構設計形式的 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 原設計 422.51 443.63 816.28 1101.54 1449.1 改進1型 454.1 483.82 881.23 1179.1 1434.2 改進2型 421.5 448.55 831.39 1121.1 1475.1 改進3型 455.1 472.25 868.71 1168.4 1462.7 改進4型 429.41 452.98 850.1 1123.2 1451.9 原立柱改進 439.1 472.23 847.09 1146 1476.7 通過表1可得改進筋板結構設計的四種設計方案里， 只有改進2型的前五階固有頻率低于原設計。主要是立 柱筋板厚度增加的緣故。其中改進1型的方案立柱前五 階固有頻率最高。而原設計通過改進筋板厚度得到的前 五階固有頻率和改進1型對比可得，單純增加立柱筋板的 數量不能明顯提高立柱的固有頻率。而且單純增加筋板 數量會使機床立柱制造成本提高，違背了機床輕量化設計 的原則。在滿足機床加工要求的前提下，應盡可能減小立 柱的質量。所以，綜上考慮，選擇原立柱的筋板結構設計形式。2.3改變筋板厚度后模態分析確定立柱筋板結構設計形式后，筋板厚度還沒有確 定。故以原立柱的筋板結構設計形式為前提，取其厚度為 10 mm、15 mm、20 mm、25 mm建立立柱有限兀模型，來分 析不同厚度的筋板對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結論通過對CLK5162高速精工銑床的立柱進行分析，得到 立柱前五階固有頻率。通過改進其內部結構設計形式，提 高了其固有頻率，為后續機床其他部件優化設計提供了理 論支持。海天精工相關產品：加工中心,鉆攻中心,高速加工中心,立式加工中心,雕銑機