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硕士论文大型数控螺纹旋风铣床动静热态性能分析及结构优化研究 摘要 大型数控螺纹旋风铣床因其高效、低耗等优点而备受关注。加工工件精度和加工质 量要求旋风铣床重要零部件和整机均需具有合理的结构配置和优良的动静热态特性。本 文以国家科技重大专项大型、精密、高效、数控螺纹加工设备中某型号大型数控螺 纹旋风铣床为研究对象，在设计阶段建立了机床关键零部件及整机有限元模型，并做了 相应的结构改进研究，为进一步的整机优化设计打下了坚实的基础。 拖板、铣头和主轴箱是影响大型数控旋风铣床加工精度和加工质量的重要部件，其 强度、静刚度和动态特性会直接影响工件的加工精度和加工质量，铣削过程中产生热量 通过影响铣头和主轴的变形进而影响工件的加工精度。本文重点对关键零部件进行相应 的有限元分析并对薄弱环节进行优化分析，优化后结构动静热态特性得到不同程度的改 善，质量也有所减轻，降低了加工成本。 机床是由多个不同零部件通过其间的结合部组成的复杂结构，机床结构尤其是结合 部的特性对整机的静、动态特性有很大的影响。本文利用弹簧阻尼单元模拟整机结合 面，建立具有等效结合面的整机有限元模型，分别针对拖板在其行程范围内位于头部、 中部和尾部建立整机有限元模型进行静力分析，得出拖板在不同位置整机的变形和应力 分布情况。对整机进行模态分析和谐响应分析，比较考虑结合面和不考虑结合面其固有 频率和振型的差别，确定结合面对整机动态性能的影响。 关键词：旋风铣床，静动热态特性，有限元分析，结构优化，整机 a b s t m c t 硕士论文 a b s t r a c t l a 玛e 、) l ，h i r l i n gm i l l i n gm a c h i n er e c e i v es i 鲥f i c a i l ta t t e n t i o nb e c a u s eo fm ea d v a l l t a g e s o f h i 曲e 伍c i e n c ya n dl o we n e 略yc o n s u m p t i o n ，t l l em a c l l i i l i n gp r e c i s i o na 1 1 dp r o c e s s i i l g q u a l i 够o f t h ew o r k p i e c er e q u i r e sm er e a s o n d b l e 蛐n l c t u r ec o 甜i g u r a t i o na n de x c e l l e n ts t a t i c 、 d y n a l l = l i ca n dt h e m a lc h a r a c t 耐s t i c so ft i l ew h j 订、】 ，i n dm i l l i n gm a c l l i n ep a r t sa i l dt h ew h o l e m a c l l i n e t l l i sp a p e rs e t sm el a r g ew h i r i i n gm i l l i n gm a c k n et 0 0 1a st h er e s e a r c ho b j e c t ，t l l e f i n i t ee l e m e ma n a l y s i so ft h ek e yp a r t sa i l dt h ew h o l em a c l l i n eo ft h ew h i r l i n gm i l l i n g m a c h i n ea r em a d ei i lm ed e s i 印s t a g e s a i l dt l l ec o r r e s p o n d i n gi m p r o v e m e n to fs t m c t u r e sa r e m a d e ，w l l i c hl a y sas o l i df o u n d a t i o nf o r 吐l eo p t i 耐z a t i o nd e s i 弘o fw h o l em a c l l i n e 。 t h ec a 玎i a g e 、m i l lh e a da 1 1 dt h eh e a df r 锄ea r ei m p o n m t p a f t so f t h el a r g ew m r l i n g m i l l i i l gm a c l l i n e ，w h o s es t i i e n 垂h 、s t a t i cs t i 肺e s sa n dg o o dd y n a m i cc h a i a c t e r i s t i c sa f r e c t st h e p r o c e s s i n gp r e c i s i o na 1 1 dp r o c e s s i n g 删时o fw o r k p i e c e ，1 1 1 em i l l i n gp r o c e s sp r o d u c e sh e a t w i l la 航c t 让1 ed e f o r n l a t i o no fm i l l i n gh e a d 锄da x i so f t h em a c l l i n ea 1 1 dt l l e na 脆c tm e p r o c e s s i n gp r e c i s i o n c o 盯e s p o n d i l l gf i n i t ee l e m e ma i l a l y s i s0 ft h ek e yp a r t so f t h em a c h i n ea r e m a d ei nt 1 1 i sp 印e ra 1 1 dt h e 、ea ：kp o i m so fm es 仃i l c t u r ea 心o p t i m i z e d ，m es t a t i c 、d y n 锄i ca n d m e m a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h eo p t i m i z e ds t m c t u r e sa r ei m p r o v e di nd i 丘e r e n td e g r e e s ，t l l e q u a l i 哆i sr e d u c e d ，t h ec o s ti sc u td o w m m a c h i n e sa r ec o m p o s e db yd i 艉r e n tp a n so fc o m p o n e n t sa i l dt h ej o i n ts u r f a c eb e t w e e n t l l e m 7 i h es t l l j c t u r ee s p e c i a l l yt 1 1 ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e j o i n ts u 行f i a c ea 任k ttt h e 虬a t i ca 1 1 d d y n 吼i cc h a r a c t e r i s t i co ft 1 舱m o l em a c l l i n eg r e a t l y 1 k sp a p e rs i i n u l a t em ej o i n ts u 雠犯e 谢t 1 1s p r i n g - d 锄p i n gu 1 1 i t ，e s t a b l i s ha e q u i v a i e n tc o m b i l l a t i o nm o d e lw i t l lm ef i l l i t ee l e m e n t ， 1 1 1 es t a t i ca 1 1 a l y s i so f t l l ew h o l em a c l l i n ei sm a d e w h e nm ec a r r i a g el o c a t ei nt h eh e a d 、t a i la n d m i d d l eo ft h em a c h i n e ，t h ed i s p l a c e m e ma i l ds 仃e s sd i s t r i b u t i o no ft h em a c m n ea r eo b t a i n e d t h ed y n 锄i ca i l dh a l l n o l l i ca 1 1 a j y s i si sm a d e ，m en a n j r a 1 抒e q u e n c ya n dm o d es h 印e sa r e c o m p a i r e db e 撕e e nc o n s i d e r i n go f j o i n ts u f a c ea n dw i t h o u tc o n s i d e r i n go f j o i ms u f i a c e ， i d e n t i 母t h ee i j j 置c to f 舭j o i ms u f a c e k e yw o r d s ：w h i r l i i l gm i l l i n gm a c h i n e ，s t a t i c d y n a n l i c ，t h e m a lc h a r a c t e r i s t i c s ， f e a ，s t n i c t u i 。a lo p t i i i l i z a t i o n ，w h o l em a c 蛐1 e u 硕士论文 大型数控螺纹旋风铣床动静热态性能分析及结构优化研究 l 绪论 1 1 本课题的来源及研究意义 1 1 1 课题来源 本课题来源于国家科技重大专项大型、精密、高效、数控螺纹加工设备子项目 大型、精密、高效、数控螺纹加工设备基础理论及测控技术研究( 项目号为 2 0 0 9 z x 0 4 0 0 1 1 7 1 。0 2 ) ，国家自然科学基金( 5 1 1 0 5 2 0 8 ) ，中国博士后科学基金资助项目 ( 2 0 1 1 0 4 9 1 4 2 6 ) 及江苏省博士后科学基金( 1 1 0 1 0 8 2 c ) 。 1 1 2 本课题的研究意义 螺纹类零件在现代工业中应用十分广泛，但是传统的螺纹类零件的加工工艺十分复 杂，造成了人力和物力上的极大浪费，螺纹磨削不仅耗能大、效率低，而且污染比较严 重，制约了制造业和相关产业的发展。旋风铣削技术是一种高效、低耗且无污染的螺纹 切削加工工艺，它在加工螺纹类零件时一次走刀便能完成全部的牙深加工，生产效率高， 适用于批量生产，是制造领域主要的发展趋势，具有广阔的应用前景。具有以下优点i l j ： 1 ) 切削速度大幅度提高，极大地提高了加工的生产效率，降低了加工成本。2 ) 切削力 尤其是径向切削力大幅度减小，特别有利于大长径比细长件等刚性差零件的高速精密加 工。3 ) 切屑高速排除，带走大量的切削热，大幅度的减少传给工件的热量，有助于减 少加工零件的热变形和内应力，提高加工精度。4 ) 由于采用压缩空气强冷，不用切削 液，是一种高效绿色的螺纹加工方法。 旋风铣床对机械部分的动静刚度、抗振性及热变形等性能的要求不断提高，因此， 对旋风铣床的零部件进行静、动态及热态分析非常有必要。拖板是组成旋风铣床重要的 基础件之一，承受着力并容纳了铣头、抱紧装置等零部件，其动静态特性会影响工件的 加工精度和加工质量。铣头是旋风铣床中重要的功能部件，通过铣头的旋转和移动可以 实现工件的加工，由于其结构比较复杂紧凑，驱动及控制比较困难，刚度不容易得到保 证，且铣削过程中产生大量的热，会影响铣头的变形进而影响工件的加工精度，因此需 要进行动态及热态特性分析。主轴箱用于安装主轴及其传动零件，在旋风铣削加工中， 主轴伸出主轴箱，结合有关负荷重力，使主轴箱产生变形，电机经过齿轮传动带动主轴 旋转，会产生振动，且主轴箱内部热源发热产生热变形会直接影响到主轴的变形，这些 均会影响工件的加工精度，因此，主轴箱的动、静、热态性能均需得到保证。传统的设 计方式是对机床的结构进行理论设计或者实验设计，成本高、计算量大且周期长。有限 元方法在研发阶段就对机床进行结构设计，具有成本低，速度快，不需要生产样机等优 点，而且可以反复修改设计方案，是设计现代高性能机床的重要手段。 l l 绪论 硕士论文 大型数控旋风铣床是由多个零部件组成的复杂结构，如：拖板、主轴箱、床身等， 只对个别零部件进行分析，则无法全面反映机床整体的性能，特别是在动态分析中，零 部件间的结合面参数对动态性能的影响很大，要准确地预测整个旋风铣床的动态性能， 必须对整机进行动力学分析。本文采用有限元法对大型数控旋风铣床的拖板、铣头、主 轴箱进行相应的静、动态和热态分析，对结构进行优化，并对整机进行动力学分析。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 旋风铣床国内外研究现状 国外已经有很多发达国家将旋风铣削技术应用于生产，旋风铣床常在数控机床上安 装成形铣刀进行螺纹的旋风铣削，不需要专用装置。早在1 9 8 6 年德国的h e l m u tf l i l l l ( 等在美国发表专利【2 j 提出了一种旋风铣削螺纹的方法和装置，该装置使用铣刀在高速切 削条件下加工短的工件，使用的铣头具有螺纹上的牙形形状，点啮合旋转时会产生连续 的径向跳动，专利提出了改善铣头的条件。2 0 0 8 年美国g a e lv o u i l l a m o z 发表旋风铣刀 头的专利1 3 j ，该铣刀头包含体壳、驱动带轮、驱动轴等，带轮依靠皮带驱动连接件，从 而铣削主轴箱和尾架之间工件的螺纹，尾架的安装使用了可变换的装置。在旋风铣削技 术方面德国在国际上居于领先水平【4 剖，目前c n c 螺纹旋风硬铣机床技术被国外少数公 司垄断，具有代表性的企业主要有德国l e i s t r i t z 公司，b u r g s m u e l l e r 公司、g w t 公司、 奥地利的w e i n g a n n e 卜m a s c h m e n b a u 公司、荷兰的h e m b r u g 公司等。图1 1 所示为德国 l e i s t r i t z 公司生产内旋铣式仆t 3 0 0 h p 型数控旋风铣床，可以加工工件直径在 2 0 2 5 0 m m 、长度达8 米的螺纹类零件。 图1 1 德国l e i s t r i t z 公司八米旋风铣床 我国旋风铣削技术在机械制造业中有所应用最早出现在2 0 世纪6 0 7 0 年代，普遍 采用在卧式车床的拖板上安装旋风铣头的方式【7 】，可用于一般钢材各种螺纹软铣。2 0 世 纪9 0 年代，国内出现了采用高速旋转的角度成型铣刀，但是一直以来我国的旋风铣削 工艺都停留在中低精度水平。 近年来，随着螺纹制造技术和装备在各个企业中所引起的关注越来越多，我国对旋 硕士论文大型数控螺纹旋风铣床动静热态性能分析及结构优化研究 风铣削技术的研究也越来越深入，目前国内的旋风铣削机床大都是国外引进的， 2 0 0 4 年南京工艺装备厂从德国l e i s t r i t z 公司购买了国内首台旋风铣床，2 0 0 8 年引进德国该公 司高速硬体旋铣机床及硬体材料旋铣加工技术，展出了单根1 0 m 直径1 6 0 m m 的大型滚 珠丝杠副，直接旋铣成形，加工周期短( 4 5 天) ，表面精度高，刚性及截形尺寸得到很好 的保证。虽然这些设备加工精度高，质量好，但是成本高、使用维护的价格昂贵。近年 来国内一些企业实现了数控螺纹旋风铣床的部分国产化，不仅所用的旋风铣刀是国内生 产的，而且自行修磨刀具，为国内旋风铣削技术的发展打下了基础。2 0 1 0 年4 月陕西汉 江机床有限公司推出了六米数控丝杠旋风硬铣削机床的样机【8 l ，如图1 2 所示，该机床 可加工长度为6 0 0 0 m m ，直径为5 0 2 0 0 m m ，最大重量为5 0 0 k g 的工件，精度能达到p 4 级。 图l 。2 六米数控丝杠旋风硬铣削机床样机 1 2 2 有限元分析及优化国内外研究现状 总体看来，国外将有限元技术应用到机床零部件的设计和优化中的研究比较早，国 内利用有限元技术对大型机床进行设计和优化还处于起步阶段，特别是利用有限元方法 对大型数控螺纹旋风铣床的研究国内还没有开展。 利用有限元理论对机床零部件分析的方法主要分为以下几个方面： ( 1 ) 静力分析 静力分析是有限元分析中最常见的一种类型，是最基础的部分，多用于对结构进行 校核，验证机床结构的静态稳定性，或者对结构进行设计和优化。 早在1 9 7 4 年美国的v a nl o o n ，p 【9 1 以数学为基础、计算机为手段进行了机床结构的 静态特性描述；1 9 8 4 年日本的y a m a s h i t a ，h 【1 0 】等人就借助计算机利用有限元方法，对 机床结构进行改进；1 9 8 7 年美国的d e i b e l ，f l 】利用有限元法计算出机床结构焊接处 的残余应力；韩国的s o n j a eh w a n 等利用a d 蝴s 和n a s t 凡州软件分析了旋风 铣床部件的最大变形和最大应力的大小，与实验值相比较，验证了铣床部件的静态稳定 性。 1 l 绪论硕士论文 上个世纪国内对机床部件进行设计和分析基本上都采用传统的机械设计或者理论 公式计算，静态分析进行的比较晚，基本上从这个世纪初才开展利用有限元对机床部件 进行结构分析，初期的静态分析基本上都是对机床结构进行应力分布和变形分析【1 3 1 5 】， 获得机床结构静刚度最弱的位置【16 1 7 l ，确定其静刚度能保证加工精度的要求，后期根据 其薄弱环节对结构进行了优化，如：张功学掣1 8 】利用有限元分析软件对高速立式加工中 心立柱进行静刚度分析，并对壁厚、筋板的高度及立柱顶部开口的大小进行优化；杨晓 京等【19 l 基于a n s y s 软件，对数控铣床关键零部件进行静刚度分析，并且采取相应的措 施对结构进行优化设计，提高了关键零部件的静刚度。 ( 2 ) 动态特性分析 动力学分析的基础是模态分析，国外对机床模态分析和谐响应分析的研究进行的比 较早，我国最近十几年才展开对机床动态特性的研究。 早在1 9 7 3 年英国的m i d d l e d i t c h ，a e 1 2 0 j 就用计算机模拟数控机床的动态性能；2 0 0 0 年瑞士的d e g e r ，y 【2 1j 结合试验考虑机床的动态特性，进行了振动测量和计算机仿真，对 典型机床的动态响应进行了数值模拟，得出了机床的应力、变形分布，为机床的改进提 供参考；2 0 0 2 年英国的m y e r s ，a 【2 2 】利用有限元对立式铣床进行有限元分析，得出了其 动态刚度特性，并找到由于动刚度不足而导致加工质量差的位置。 x i a o p e n gl i 【邪j 等为了研究机床的动态特性，利用a n s y s 软件建立了机床的简化模 型，得到了前六阶固有频率，对机床筋板进行改进；t l nq i h u a 【2 4 】等运用有限元法对数 控插齿机立柱进行动态分析，为立柱的设计和优化提出了参考方案；w e i g u a n g ，l 【2 5 1 等对电主轴进行模态分析和谐响应分析，验证了其动态特性符合设计要求。 近几年有些学者将一些优化方法和有限元法结合起来研究机床的动态特性：倪晓宇 等人【2 6 j 将渐进结构优化算法和有限元法结合起来对机床床身进行静、动态分析；张学玲 口7 孙j 运用结构动态设计原理和有限元法的变量化分析技术，提出一种数控机床床身结构 的动态设计方法和流程。还有学者将实验和有限元仿真结合起来：田学良等人【2 9 】应用锤 击法对立式数控铣床进行了试验模态分析，研究了该立式数控铣床的动态特性，并为结 构优化设计提出了改进措施；杨传启【3 0 ，3 l 】提出了试验模态分析理论和o d s ( o p e r a t i o 蹦 d e n e c t i o ns h p a e s ) 分析理论相结合的方法，进行了包括机床整机的模态试验与o d s 试验 的机床试验分析与研究。 ( 3 ) 热特性分析 美国、日本、德国等国家对机床热变形的研究比较早并取得较大的研究成果。 m w e c k 【j 2 j 等提出了机床热模态分析理论，并把热模态和振动模态分析进行了比较： w u 【3 3 j 通过有限元法研究在不同转速和运行时间下对滚珠丝杠施加轴向预负载的温度分 布，将其与实验结果进行了比较；韩国的j o n g j i n 飚m 【3 4 】用有限元分析出电机在高速旋 转的条件下数控机床的热误差分布；y 锄g ，j 【3 5 】提出了一种鲁棒建模方法，利用对热误 4 硕士论文大型数控螺纹旋风铣床动静热态性能分析及结构优化研究 差建模的方法研究机床热变形；t a nj i a _ c a i 【3 6 】等对主轴力热载荷进行计算，并对主轴进 行静力学分析、模态分析和力热耦合分析，为主轴的设计提供了依据。 1 9 9 8 年杨建国【3 7 】研究且创立了两种适合于多台同类机床热误差补偿的热误差鲁棒 建模新理论及新方法；杨文通【3 8 】等利用分析软件进行了稳态热分析研究，找出热变形最 大位置；范梦吾例对高速电主轴的热态特性进行分析；曹骏【4 0 l 建立了具有接触热阻的计 算模型，分析了影响接触热阻大小的各种因素；谭立新【4 l j 建立了三维数字分析模型，对 主轴进行了热态特性仿真。 利用有限元法对机床进行静、动、热态分析的相关理论国外已经比较成熟，国内虽 然研究比较晚，但是相关的研究人员在各个领域都进行了比较广阔和深入的探索，应用 也比较广泛，但是对大型数控机床特别是旋风铣床的研究还比较少，而且这些有限元仿 真优化的应用大都基于单一的模态分析或者热态分析，并未全面考虑结构的静态、动态 和热态特性进而开展综合分析与优化。 1 2 3 整机及结合面国内外研究现状 整机因其结构的复杂性故而想比较全面的研究其整体性能比较困难，而整机各个零 部件之间的结合部会很大程度上影响其整体的性能，所以对整机和其结合面的研究具有 重要的意义，目前还没有完善的分析整机性能的软件，考虑结合面的有限元方法是分析 整机最精确可行的方法。 国外对整机和结合面的研究比较早，1 9 8 9 年瑞士的m a n i i l ，k f 1 4 2 j 就建立整机的动 力学模型；1 9 9 8 年西班牙的z a t a r a 氓m 【4 3 】将数据库和有限元方法结合在一起，先将预 先计算好的模块化的结构放入数据库，在进行静态和动态分析机床特性的时候直接引用 数据库中的结果，大大减小整机计算的时间；y a o m a i lz h a n g m 】等利用有限元分析了主 轴部件和床头的结构，并用弹簧阻尼单元模拟结合面进行研究，确定其动态特性；h a o g 【4 5 】等建立了将弹簧阻尼单元模拟结合面的机床有限元模型并进行了试验研究，仿真 数据和试验结果进行对比，验证了有限元模型的合理性。 由于起步比较晚，国内对整机和结合面的研究都不是很深入。近年来，国内对整机 及结合面的研究也渐渐重视起来，2 0 0 0 年覃文洁等f 舶】采用自定义矩阵单元来处理机床 结合部的接触问题，对整机进行了动态特性分析；赵小青等【4 7 】考虑了结合面参数对整机 进行动力学分析；周芝庭等【4 8 】对结合面传热采用热接触单元模拟，利用有限元分析软件 对整机进行热特性分析，得出整机的热位移云图；杨传启【3 l 】通过锤击法对整机进行模态 试验并进行o d s ( o p e r a t i o m id e n e c t i o ns h 印e s ) 法试验，确定了对机床动态特性有较大影 响的薄弱模态和薄弱环节；赵强【4 9 】对高速卧式加工中心整机进行静态分析、模态分析和 谐响应分析，并进行模态实验，得到机床的刚度值。 虽然国内对结合面和整机的有限元法分析有一定的发展，但是对象仅限于普通的数 l 绪论硕士论文 控机床，针对大型数控螺纹旋风铣床的研究还未见报道。 1 3 本文研究内容 本文主要是利用有限元分析软件a n s y s 对大型数控螺纹旋风铣床的关键零部件及 整机进行有限元分析并对结构进行优化。 第一章阐述了本课题的来源和重要意义，总结了旋风铣削机床、零部件有限元分析 和整机及结合面的国内外研究现状，并说明了本文的研究内容。 第二章建立拖板的有限元模型，以模态分析理论为基础，对拖板进行模态分析，根 据分析得出的低阶固有频率和振型得到结构的薄弱环节和可能的破坏区域，进而提出不 同种方案对拖板结构进行优化，最终确定综合优化方案。通过对原结构和优化后结构进 行静力分析，验证其静态特性同时得到改善。 第三章建立包括铣头体壳、刀具刀盘、带轮等在内的铣头系统的有限元模型，对铣 头系统的热源进行计算，确定铣头换热系数及轴承发热量和铣削热，进行稳态热分析， 得出铣头系统温度场和热变形，通过瞬态热分析得出节点的温度随时间变化的趋势，并 与温度试验进行对比，证明了有限元分析热态特性的准确性。 第四章建立了主轴箱的有限元模型，对主轴箱进行模态分析并通过不同种方案对主 轴箱进行优化，计算主轴箱的力热载荷，对主轴箱进行静力分析和力热耦合分析，综合 考虑主轴箱的静态、动态和热态特性，得出最终优化方案。 第五章阐述了整机分析中结合面的重要性，介绍主要的结合面等效形式，针对数控 螺纹旋风铣床建立了相应的结合面等效模型，选取结合面参数识别方式，并对结合面的 参数进行计算，建立整机有限元模型，分别对拖板在不同位置时的整机进行静力分析， 比较考虑结合面和不考虑结合面整机模态分析结果，对整机进行谐响应分析，对整机结 构进行优化。 第六章对本文所做的内容进行总结，指出文中需要改善的地方。 6 硕士论文 大型数控螺纹旋风铣床动静热态性能分析及结构优化研究 2 拖板动静态分析及优化 拖板是旋风铣床的基础件，承受力并容纳各种零部件如铣头、滑座、抱紧装置等。 其动静态性能直接影响到加工工件的精度。所以要求设计出的机床支承件必须具有足够 的动、静刚度。拖板结构复杂，传统经验设计不能精确计算其动静态性能。有限元静力 分析是有限元分析中最基础的部分，用来计算在固定不变的载荷的作用下结构的响应， 即由稳态外载引起的系统或部件的位移、应变、应力，而模态分析是动力学分析的基础， 主要用于确定结构或者机床部件的振动特性。本章利用有限元方法对拖板进行模态分 析，并根据固有频率和振型对结构提出了优化方案，针对优化前后的结构进行静力分析， 对两者的最大等效应力和最大变形量进行了比较，证明优化后的结构动静态特性都得到 了相应的改善。 2 1 拖板有限元模型 利用s o l i d w o r k s 软件对拖板进行三维建模，根据机床拖板的结构特点对拖板三维模 型进行了适当简化：将部分螺纹孔简化为圆孔，省略小的圆孔、螺纹孔和倒角，简化拖 板中两个4 m m 3 5 m m 的工艺槽，将拖板右面深5 m m 的槽简化成平面，如图2 1 所示。 利用s 0 1 i d w o r k s 软件和a n s y s 软件之间数据接口程序，将拖板的三维模型导入a n s y s 软件，使用s o l i d 4 5 单元对拖板进行网格划分，采用6 级精度智能划分，网格划分如图 2 2 所示： 与滑块接触 与压板接触 图2 1 拖板的简化三维模型图图2 2 拖板的网格划分 图2 3 拖板的约束情况 查阅机械设计手册，根据拖板的材料为t 2 5 0 ，选取相应的材料系数：弹性模量 e = 1 2 0 g p a ，泊松比u = 0 2 6 ，密度为p = 7 3 5 0 k m 3 。拖板上容纳了滑座、铣头及抱紧装 置，其“7 ”字型结构的头部通过螺纹与滑块连接带动拖板及其上所有部件在导轨上滑 动，拖板下部有三个滑块，但只有两个滑块承受重量，中间的滑块作为缓冲之用，拖板 2 拖板动静态分析及优化硕上论文 “7 ”字型结构的底部与压板固连，故根据实际工况，约束拖板与两个滑块及压板接触 面的六个自由度，如图2 3 箭头所示位置。 2 2 拖板模态分析 模态分析法的本质是将连续的结构离散成有限的单元，不同的单元中设定不同个数 的节点，从而将连续的结构看做只在节点处连接，将节点作为未知量，利用变分原理求 解节点未知量。机床是连续的结构，其有限元模型可看做是一个多自由度振动的系统， 可利用模态分析法对其动态性能进行预测和分析【5 0 1 。 模态分析是振动分析的基础，关心的是结构的固有特性，与其运动状态及外界载荷 无关，通过模态分析可以得到结构的各阶频率及振型，从中找出拖板结构的薄弱环节及 可能的破坏区域，为拖板结构改进提供可借鉴的依据。现定义单元类型、实常数、材料 属性、采用b l o c kl a n c z o s 法，对拖板进行模态分析并得到拖板的模态及振型，抽取前 四阶固有频率及振型如图2 4 和表2 1 所示。 8 a ) 一阶振型 c 1 三阶振型 b ) 二阶振型 1 润1 雕础鲻蕾盔黼舔凿渊瞄翻嘲露：二二盆盏盆翻_ t 0 ，勰；。a 嘞9 辑；：； ； t ，：0 7 鼢 镗；：1 ，曹。” d ) 四阶振型 图2 4 拖板的前四阶模态振型 蠡熬 一煮翟。 硕士论文大型数控螺纹旋风铣床动静热态性能分析及结构优化研究 表2 1 拖板的低阶固有频率和振型描述 模态频率( h z )振型 l5 9 1 8 8拖板顶部沿x 轴摆动变形 27 6 8 2 8 顶部沿x 轴摆动变形及中部在y z 面弯曲变形 37 9 5 8 7 拖板上部沿x 轴波浪形弯曲变形 48 8 7 3 7 拖板上部沿z 轴弯曲变形 如图2 4 所示拖板的前四阶固有频率及振型，可以看出拖板的变形主要中在拖板的 顶部及中部。拖板的一阶振型，顶部沿x 轴上下摆动，将影响固定在机床顶部的丝杠z 方向的定位精度，从而影响机床的加工精度和工件的质量；拖板的二阶振型除了沿x 轴 摆动变形还有中部在y z 面弯曲变形，在y z 平面内弯曲变形会直接影响到放置在其上 的铣头的安装稳定性和工件的加工精度；三阶振型拖板上部沿x 轴波浪形弯曲变形，会 影响导轨和丝杠，产生传动误差，对机床加工精度及加工的稳定性都会产生影响：四阶 振型为拖板上部沿z 轴弯曲变形，同样会影响工件加工质量和精度。 2 3 拖板的结构优化研究 拖板的结构为肋板式框架结构，筋板的布局及尺寸会对拖板的动态性能产生直接的 影响。根据上述固有频率和振型，结合拖板的安装形式及其本身结构特点通过以下几个 方面对拖板的结构进行改进。 2 3 1 筋板部位优化 由于实际工作环境中的外部激振频率都低于一阶频率，且一阶振幅最大，对机床的 动态性能影响最大，因此一阶振型能最大程度地反映部件的薄弱部位，提高一阶固有频 率是优化的最主要目标。针对拖板一阶模态的振型，主要是拖板的上部变形比较大，所 以在拖板上部内侧及项部增加相应的筋板，如图2 5 所示。 a 1 b 、 9 2 拖板动静态分析及优化硕士论文 c )d )e ) 图2 5 增加筋板 a ) 将拖板的顶部筋板改为宽2 0 m m 的菱形筋板； b ) 在拖板上部加一条宽2 0 m m 的筋板，与原来的两条一起平均分布； c ) 在拖板上部横向加一条宽2 0 m m 的筋板； d ) 在拖板上部加宽2 0 m m 的交叉筋板； e ) 在拖板上部内侧加一条宽2 0 m m 的筋板，与原来的两条一起平均分布。 表2 2 改进前后固有频率对比 模态 频率( h z ) a 、b 、 c ) d 、e 、 15 9 1 8 86 0 4 2 56 2 6 5 05 9 9 3 86 4 4 3 05 9 8 3 l 27 6 8 2 87 7 4 7 57 7 3 2 17 7 2 9 27 7 6 5 97 6 7 8 2 37 9 5 8 78 4 5 5 98 2 0 0 58 0 1 7 38 5 1 9 l8 0 3 7 l 由增加筋板后分析结果可以看出，几种优化方案一阶固有频率均有不同程度的提 高，在拖板的上部内侧加筋板、在拖板顶部加纵向筋板、在拖板顶部加横向筋板及将顶 部筋板改成菱形筋板其一阶固有频率分别增加了6 4 3 h z 、3 4 6 2h z 、7 5h z 和1 2 3 7h z 。 而在上部外侧加交叉筋板，一阶固有频率提高了8 8 6 ，振型得到了相应的改善，拖板 上部摆动变形的幅度也有所减小。 增加筋板的位置及筋板的形式不同，对拖板的动态特性的影响是不同的。从增加筋 板的位置来看，在上部内侧加筋板对一阶固有频率的影响不如在拖板顶部加筋板对一阶 固有频率的影响大；而在相同位置增加筋板，由于一阶振型是沿x 轴摆动，所以平行于 x 轴增加横向筋板对其一阶固有频率的增加量远远不如垂直于x 轴即加纵向筋板的增 加量大，总体而言，增加斜筋板其一阶固有频率增加最大。 2 3 2 厚度优化 ( 1 ) 增加厚度 对二阶模态的振型来说，不仅有拖板上部的摆动变形，还存在着中部的波浪形弯曲 l o 硕：论文大型数挎螺纹旋风铣床动静热态性能分析及结构优化研究 变形，这是因为中部是框架式结构，中间存在空腔，抗弯曲能力不够，所以需要增加壁 厚及筋板的厚度来提高其刚度。增加厚度的位置如图2 6 箭头所指位置。 a ) 拖板上部内侧筋板的厚度增加5 m m ； b ) 与滑块结合面的上部厚度增加3 舢； c ) 下部筋板厚度增加5 i l l ： d ) 拖板下部壁厚增加5 n h n 。 小 c 】 b ) d 1 图2 6 增加厚度 表2 3 改进前后同有频率对比 模态 频率m z ) a )b 1 c 、 d ) 15 9 1 8 85 9 3 5 06 0 1 1 55 9 3 7 35 9 3 5 7 27 6 8 2 87 6 8 5 77 7 0 6 07 7 2 5 57 6 7 7 7 37 9 5 8 78 0 1 3 48 0 2 1 57 9 7 3 47 9 7 1 7 根据增加厚度方案模态分析的结果可以看出，不同位置材料厚度增加对拖板的动态 2 拖板动静态分析及优化硕士论文 特性的影响也是不同的。针对低阶振型，增加壁厚或筋板的厚度对固有频率的增加量较 小，将上部内侧筋板、下部筋板、下部壁厚增加5 m m 一阶固有频率的增加量分别为 1 6 2 h z 、1 8 5h z 和1 6 9h z ，相对于原一阶固有频率5 9 1 8 8h z 而言太小，影响不大。 而增加与滑块结合面的上部厚度3 r m ，其固有频率就增加了9 2 7h z ，说明与滑块结合 面的上部厚度对拖板动态性能影响较大。 ( 2 ) 减小厚度 增加筋板及增加壁厚等优化方案虽然都能改善拖板的动态性能，但都增加了拖板的 质量，而质量的增加会对受力情况及加工成本产生影响，通过减少拖板材料等合理的优 化手段可以平衡两者之问的关系。原则是，减小相应的厚度后其低阶固有频率特别是一 阶固有频率能基本保持不变或是略有增加，或者固有频率略有减小但质量有大幅度减 小，减小板材厚度的位置如图2 7 所示。 a ) 下部壁厚减小5 咖； b ) 下部筋板厚度减小5 n u i l ； c ) 下部筋板侧壁厚度减小5 m m ； d ) “7 ”型底部厚度减小5 嗍。 b 、 硕士论文大型数控螺纹旋风铣床动静热态性能分析及结构优化研究 c ) 图2 7 减小质量 表2 4 改进前后固有频率对比 由 模态 频率( h z ) 钔b 1c 1d 1 15 9 1 8 85 9 1 5 65 9 3 8 05 9 1 7 35 8 7 3 3 2 7 6 8 2 87 5 9 4 7 7 6 8 9 27 7 3 2 37 6 7 9 1 37 9 5 8 77 9 4 9 87 9 6 9 27 9 5 1 97 9 2 7 2 表2 5 几种方案质量比较 原结构 a 1b 1 c ) d 1 质量( k g ) 6 0 2 95 9 0 85 9 4 95 9 3 3 5 7 3 1 质量增量百分比 1 2 11 3 31 5 94 9 4 由减小壁厚方案分析结果可知，减小拖板下部框架结构的两侧壁厚及后面壁厚一阶 固有频率减小不明显，分别为o 3 2h z 、0 1 5h z ，而减小拖板下部框架结构筋板厚度一 阶固有频率甚至有所增加。减小“7 ”型拖板底部厚度虽然一阶固有频率减小量相对较 大，但质量减小了4 9 4 ，适合与一阶固有频率增加较多、质量也增加的方案综合，可 取得满意的结果。 2 3 3 综合优化 机械结构和零部件的优化设计是为了设计出重量轻、效能高、可靠性强的结构【5 l 】。 综合优化采用渐进结构优化法将几种改进方法中最优方案综合，进行模态分析。 ( 1 ) 综合增加筋板方案的d ) 和e ) 及增加厚度方案的b ) 。 ( 2 ) 综合增加筋板方案的d ) 和e ) 、增加厚度方案的b ) 及减小厚度方案的a ) 、b ) 、c ) 。 ( 3 ) 综合增加筋板方案的d ) 和e ) 、增加厚度方案的b ) 及减小厚度方案中的a ) 、b ) 、c ) 、 小 i3 2 拖板动静态分析及优化硕士论文 表2 6 综合方案改进前后固有频率对比 模态 频率( h z )( 1 )( 2 )( 3 ) l 5 9 1 8 86 6 0 8 46 5 5 8 l6 4 8 6 2 27 6 8 2 87 7 7 3 57 7 7 2 27 8 2 5 2 37 9 5 8 78 6 5 4 08 6 3 6 78 5 7 2 l 表2 7 几种方案质量比较 原结构 ( 1 )( 2 )( 3 ) 质量( 蝇) 6 0 2 96 4 4 56 2 1 55 8 9 2 质量增加百分比 6 9 06 0 42 2 7 表2 8 综合方案改进前后最大位移量比较 阶数原结构m m ( 1 )( 2 )( 3 ) 一阶 2 1 8 0 72 0 4 2 52 0 3 4 31 9 9 0 1 二阶8 5 0 3 8 4 1 38 7 8 79 4 2 5 三阶 3 0 5 3 52 7 4 8 82 7 9 3 42 6 6 2 6 从分析结果可以看出，当采用几种优化方案综合效果比单独作用要好。综合方案( 1 ) 一阶固有频率增加6 8 9 6 h z ，但是质量也增加了6 9 ，而综合方案( 3 ) 不仅一阶固有频率 增加5 6 7 4h z ，而且质量减小了2 2 7 ，一阶振型最大位移量减小了1 9 0 6 n l i n ，振型得 到了改善。针对某型号大型旋风铣床拖板，减小质量可以较好地解决拖板受力过大的问 题，所以综合方案( 3 ) 为较优方案。 2 4 静力分析 静力学分析主要用来计算结构在静态稳定的载荷作用下的响应，如位移、应力、应 变等。通过静力学分析，可以获得整体结构的静力学性能情况，分析出在静态稳定载荷 作用下结构的薄弱位置，所谓的静态稳定的载荷，指的是结构受到的外力大小和方向均 不随时间的变化而变化。 本文分析的旋风铣床拖板其上安装有抱紧装置、滑座、铣头等铸件及电气柜等装置， 其本身的重力约为6 7 6 4 k g ，按照工厂提供的数据，安装在其上的装置的总重量约与其 本身的重量相等。对拖板与滑块及压板连接部位施加固定约束，限制六个方向的自由度 并对原结构和优化后结构进行静力分析。 1 4 硕士论文 大型数控螺纹旋风铣床动静，热态性能分析及结构优化研究 闶r 忑= = 磊为r _ ，= = 渊瓮鬻鼎= 擘雩竺l ! ! 糟 | 烹甓缈絮紫篙翠孑然锶曩。， 州畸， 黼哗 一醣删 - 呻q，”辩 # 髑-醒i ；悄l 图2 8 原拖板的位移变形图及等效应力分布云图 从原结构的位移变形图可以看出，拖板的位移变形最大值为0 8 e 6 m ，主要位于拖 板的顶部边缘。从等效应力分布云图可以看出，拖板的大部分区域的等效应力值在0 0 0 4 7 m p a 之间，最大值为o 4 1 m p a 。 将模态分析所得到最终的优化方案导入a n s y s 进行静力分析，得到优化后结构的 位移变形图和应力分布云图，用以来检验优化后的结构的受力情况。 图2 9 改进后拖板的位移变形图及等效应力分布云图 从图2 9 可以看出，改进后拖板位移变形最大值为o 6 3 7 e 6 m 。从等效应力分布云 图可以看出，拖板的大部分区域的等效应力值在0 0 0 4 4 m p a 之间，最大值为o 3 9 m p a 。 从分析结果可以看出，拖板经过改进后，最大位移变形最大值减小了o 1 6 3 e 6 m ， 等效应力值减小了0 0 2 m p a 。 2 5 本章小结 本章借助有限元分析软件a n s y s 对大型数控螺纹旋风铣床的拖板进行动力学模态 分析，得到了拖板的前四阶固有频率和相应的振型，从前四阶振型云图及位移变形量的 动态显示过程中可以直观地分析拖板的动态性能，找出结构设计的薄弱环节为拖板的上 部及中部。针对前四阶振型从对拖板不同部位无筋板、加筋板及增加板材厚度几个方面 对拖板进行改进，从分析结果来看，不同位置增加筋板或增加板材厚度效果不同，从中 选择最优方案并进行综合分析，最终使得一阶固有频率增加5 6 7 4 h z ，前三阶固有频率 15 2 拖板动静态分析及优化硕士论文 都有不同程度的提高，而且质量减小了2 2 7 。 由于对原结构进行静力分析和模态分析结果显示其薄弱环节都是拖板的顶部，所以 针对模态分析的结果所提出的优化方案在进行静力分析后最大位移变形最大值减小了 o 1 6 3 e 6 m