高速立式加工中心静动态特性分析及结构改进(2)

高速立式加工中心静动态特性

Vol.32No.03高速立式加工中心静动态特性分析及结构改进———徐金华，等第32卷第03期

静刚度相对较弱。与其他加工中心相比，表1中加工中心静刚度值基本满足设计要求，对于变形较大的部件，仍需作出一定的改进，提高加工中心整机中的薄弱环节，进而保证加工中心的加工精度。

表1

原整机

X向Y向Z向

长引起的刚性不足；在主轴箱的中部偏下处增加一对滑块接触面，以增强主轴箱的扭转刚性，改进前、后的主轴箱如图1；（2）在立柱内面板结合处的空腔中和立柱的胯部增加肋板，立柱各向壁厚均加厚10mm，增加立柱自身的刚性；立柱前后方向加长100mm，以增

原整机静力分析结果

最大变形量/μm

刚度/N·μm

-1

38.4

19.927.326.150.336.6

强与床身结合面处的刚性，改进前、后的立柱如图2；（3）床身壁厚加厚10mm；床身两侧增加了加强肋板，床身与立柱结合处也相应加长，并增加了立柱与床身螺纹联接的数目，改进前、后的床身如图3。

1.3模态分析

模态分析可以用来确定结构的自振频率和相

应振型，为结构设计提供依据，避免在动力载荷作用下发生共振现象，提高结构系统的抗振性能。因此，模态分析是结构动态分析的一个重要内容，系统动态性能的分析首要的是结构的模态分析，包括结构的固有频率和相应振型。

机床结构是个连续体，质量和弹性都是连续分布的，所以应具有无穷多个自由度，也就有无穷多阶模态。但该加工中心预期达到的最高转速是

（a）

（b）

图1主轴箱结构

20000r/min，最高阶固有频率340Hz左右就能满

足分析要求，所以，计算太多高阶模态是没有意义的。在利用ANSYSWorkbench对加工中心整机进行模态分析时，仅求解整机的前20阶模态，得出前20阶固有频率和振型，其中能明显表现机床动态特性的是1、4、8、14、17阶振型，固有频率值见表2。

表2

固有频率分析结果比较

固有频率

/Hz

原整机改进整机

（a）

（b）

图2立柱结构

1阶35.46642.5654阶101.38116.48阶182.22192.1814阶282.6292.717阶325.81344.85

（a）

（b）

1阶振型主要是立柱和主轴箱前后弯曲；4阶

振型是立柱和主轴箱绕立柱与床身的结合面扭转，床身左右摆动；8阶振型主要是立柱下部左右摆动；

图3床身结构

3改进前后整机静动态性能比较

对改进后整机进行静力学和模态分析，分析步

14阶振型主要是立柱绕其与床身结合面扭转，主轴

箱绕其与导轨结合面扭转；17阶振型主要是主轴箱绕其与导轨结合面扭转。

由整机模态、振型可见：立柱、主轴箱和床身结构对整机影响较大，立柱下部刚性不足，主轴箱扭转刚度不够，立柱与床身结合面刚性较弱，工作台和滑座结构对整机振型影响不是很明显。

骤与原整机完全一致，条件也相同。

3.1静力学分析结果比较

由静力学分析得出改进整机的最大变形区域

分布与原整机基本相同，但变形量数值上差别较大，改进整机X、Y、Z3方向的最大变形量值如表

3。通过表1和表3比较可知：改进后整机三方向的

静变形量均大大减小，静刚度也有了较大提高，也就是说改进整机的静态性能要优于原整机。

表3

改进整机X向Y向Z向

2加工中心结构改进

根据加工中心整机静动态特性分析的结果，在

改进整机静力分析结果

最大变形量/μm

刚度/N·μm-1

原方案的基础上对整机进行优化设计，对影响整机静、动态特性较大的零部件提出了如下改进方案：（1）主轴箱前端过长，改成圆弧形状，以减少悬臂过

19.9

13,715.850.373.063.3

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