摘要：針對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對現(xiàn)場銑床進行建模和靜、動態(tài)性能的分析，依據(jù)橫梁振動相對變形的振型和幅值，以及機床的工作環(huán)境和機床設(shè)計的結(jié)構(gòu)力學(xué)理論，提出了對橫粱的幾項改進建議，通過有限元分析其性能有較大提高，并通過模態(tài)實驗進行驗證，將實測值與理論值對比可知，改進后橫梁具有較好的靜、動態(tài)性能，證明橫粱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計是可行的。
引言
現(xiàn)場銑床是用于石化裝置的現(xiàn)場加工設(shè)備。為了適應(yīng)現(xiàn)場的加工環(huán)境，要求現(xiàn)場銑床在滿足性能、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，對主要移動部件進行靜、動態(tài)性能分析，提出對銑床結(jié)構(gòu)合理的改進方法。圖1為現(xiàn)場銑床的結(jié)構(gòu)示意圖。
1 有限元模型的建立
采川SolidWorks軟件建立現(xiàn)場銑床的三維實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(見圖2)，所以橫梁為現(xiàn)場銑床的關(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象。圖3為現(xiàn)場銑床橫梁的實體模型。
圖3 銑床橫梁的實體模型
2 橫梁原結(jié)構(gòu)的有限元分析
2．1 模型簡化
橫梁為鋼板焊接結(jié)構(gòu)，閃此各個焊點均作為模型的剛性節(jié)點，將主軸箱簡化為和實際結(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
對橫梁的實體模型導(dǎo)人CosmosWorks有限元軟件中，建立有限元計算模型，采用實體單元劃分網(wǎng)格，單元數(shù)目為17256，節(jié)點數(shù)目為9352，自由度數(shù)目為97659。
2．3 定義約束和施加載荷
橫梁兩端通過螺釘固定在滑座上，在有限元模型中，把橫粱的邊界約束簡化為與同定螺栓位置相對應(yīng)的節(jié)點的各個方向的自由度，即周定與螺栓位置相對應(yīng)節(jié)點的各個自由度來實現(xiàn)對橫梁的約束，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)生在主軸箱運行到橫梁中間位置時：圖4為劃分網(wǎng)格后對橫梁和滑板施加載荷約束后的模型圖，通過求解，橫梁的最大變形量為0．1547mm，實測加工時為(0．15-0．20 mm)左右，分析結(jié)果與實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。對機床進行模態(tài)分析，可以明顯表現(xiàn)出機床動態(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：通過分析可知第一階振型中橫梁在外力激勵下產(chǎn)生較大幅度的變形，在加工過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。因此要對橫梁的結(jié)構(gòu)進行改進。
3 橫梁結(jié)構(gòu)改進和分析
3．1 橫梁結(jié)構(gòu)的改進
從以上分析可知，橫梁的剛度不足是影響變形的主要原因。在橫梁改進設(shè)計中，考慮到機床的工作環(huán)境等方面因素，改進時對橫梁基本結(jié)構(gòu)不作大的變動，為提高橫梁抗扭剛度采用了對角筋板抗扭理論，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。改進后的結(jié)構(gòu)見圖8。
3．2 有限元分析
將改進后的橫梁模型導(dǎo)入有限元分析軟件中，經(jīng)過分析計算后得出橫梁的變形(見圖9)以及橫梁的振型結(jié)果，橫梁在加工過程中的最大變形量為0．056mm，改進后橫梁最大變形量比改進前明顯降低。
3．3計算結(jié)果與實驗驗證
為驗證上述改進的合理性，對銑床進行了模態(tài)實驗。用一剛度小的索懸掛激振器，分別在主軸端部的三個方向上對機床進行正弦掃頻激勵，在銑床上布置了14個測點，通過安裝在主軸端前端、橫梁上部和滑板上的8個加速度傳感器拾取系統(tǒng)的振動信號，對其進行模態(tài)分析。
從表2中可以看出，本文的計算結(jié)果與試驗測試結(jié)果比較吻合，橫梁動態(tài)性能有了明顯提高。其中，一階頻率偏差相對較大，這是因為機床主軸箱與滑板的接觸剛度在計算時沒有考慮，導(dǎo)致一階模態(tài)結(jié)果偏小。
4 結(jié)束語
通過有限元法對原橫梁及改進后的動態(tài)分析和對比，探討橫梁內(nèi)部筋板的布局對其動態(tài)性能的影響，并以橫粱振動模態(tài)相對位移量的大小為設(shè)計的參考依據(jù)，提出了對橫梁的改進建議，并通過實驗驗證，橫梁結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計是可行的，對減小其變形量、提高加工精度起到良好的作用。
