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CLK5162高速數(shù)控銑床立柱動態(tài)性能分析及優(yōu)化
閱讀：150 發(fā)布時間：2020-8-11 0引言
當(dāng)今世界高速數(shù)控機床的研制是各個國家在裝備制造業(yè)競爭中博弈的一個重要方面。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)控機床應(yīng)運而生，成為滿足現(xiàn)代制造業(yè)特點的主要工具。本文以CLK5162高速數(shù)控銑床的立柱作為研究對象，對其進行動態(tài)特性研究，檢驗其能否滿足加工精度要求，并根據(jù)檢驗結(jié)果盡可能對立柱結(jié)構(gòu)進行設(shè)計優(yōu)化。
1立柱的實體建模與模態(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高速數(shù)控銑床立 柱進行模態(tài)分析。在立柱模型導(dǎo)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(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(shè)定立柱螺孔相應(yīng)節(jié)點位置處限制X、 Y、Z三個方向的自由度。對立柱進行模態(tài)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,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,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,大變形量為0. 214 mm,表現(xiàn)為立后背面上部兩頂角位置與橫梁接觸位置發(fā)生扭轉(zhuǎn)。立柱 第四階固有頻率為1101. 54 Hz,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
機械設(shè)計中，任何設(shè)計方案都是可以進行優(yōu)化的。優(yōu) 化設(shè)計的目的是尋找優(yōu)于原先設(shè)計的方案。其中的 “”是設(shè)計滿足實際的所有要求[4]，并且要求所使用的 成本降到低。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 形式入手，改變筋板結(jié)構(gòu)設(shè)計形式，以提高立柱的固有 頻率。
2.1筋板結(jié)構(gòu)設(shè)計形式改進
根據(jù)原立柱內(nèi)部筋板的設(shè)計，在不改變原立柱結(jié)構(gòu)大 小尺寸的前提下，改變立柱筋板的厚度，由原來的12 mm 變?yōu)?0 mm。并參考國內(nèi)外設(shè)計資料重新對筋板布置進 行了設(shè)計。
通過改變立柱筋板結(jié)構(gòu)設(shè)計形式，得到了四種筋板布 置類型。其中結(jié)構(gòu)設(shè)計改進1型為米字形結(jié)構(gòu)，主要是水 平、豎直相間的筋板和對角線交錯的筋板兩者結(jié)合組成。 結(jié)構(gòu)設(shè)計改進2型是長方形方格結(jié)構(gòu)，是在立柱內(nèi)部構(gòu)造 —個長方形框，并在長方形框中等分三份。結(jié)構(gòu)設(shè)計改進 3型是交叉結(jié)構(gòu)，是在改進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)計改進4型屬于S型結(jié)構(gòu)，在改進 2型的基礎(chǔ)上去掉了水平布置的筋板，改由對角線單一布 置構(gòu)成S型結(jié)構(gòu)。
2.2筋板結(jié)構(gòu)設(shè)計形式改進后模態(tài)分析
對立柱筋板結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)計進行對比，找出相對 設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計的四種設(shè)計方案里， 只有改進2型的前五階固有頻率低于原設(shè)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 階固有頻率高。而原設(shè)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(shù)量不能明顯提高立柱的固有頻率。而且單純增加筋板 數(shù)量會使機床立柱制造成本提高，違背了機床輕量化設(shè)計 的原則。在滿足機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)計形式后，筋板厚度還沒有確 定。故以原立柱的筋板結(jié)構(gòu)設(shè)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，終選定立柱筋板厚度為20 mm。
3結(jié)論
通過對CLK5162高速數(shù)控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(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計形式，提 高了其固有頻率，為后續(xù)機床其他部件優(yōu)化設(shè)計提供了理 論支持。
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