0 引言
當(dāng)今世界高速數(shù)控機(jī)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(jī)床應(yīng)運(yùn)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(jìn)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(jìn)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(jī)床實體建模，裝配 如圖1所示。對立柱進(jìn)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(jìn)行模態(tài)分析。在立柱模型導(dǎo)入ANSYS10軟件之前，需 要對其進(jìn)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(jìn)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(jìn)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,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(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,最大變形量為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,其最大變形量為0. 1788 mm,表現(xiàn)為整體繞 Z軸扭轉(zhuǎn)。
2立柱的優(yōu)化
機(jī)械設(shè)計中，任何設(shè)計方案都是可以進(jìn)行優(yōu)化的。優(yōu) 化設(shè)計的目的是尋找優(yōu)于原先設(shè)計的最優(yōu)方案。其中的 “最優(yōu)”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(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(jìn)
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(jìn) 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(jìn)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(jìn)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(jìn) 3型是交叉結(jié)構(gòu)，是在改進(jìn)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(jìn)4型屬于S型結(jié)構(gòu)，在改進(jìn) 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(jìn)后模態(tài)分析
對立柱筋板結(jié)構(gòu)設(shè)計形式改進(jìn)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(jìn)行對比，找出相對 最優(yōu)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

通過表1可得改進(jìn)筋板結(jié)構(gòu)設(shè)計的四種設(shè)計方案里， 只有改進(jìn)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(jìn)1型的方案立柱前五 階固有頻率最高。而原設(shè)計通過改進(jìn)筋板厚度得到的前 五階固有頻率和改進(jìn)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(jī)床立柱制造成本提高，違背了機(jī)床輕量化設(shè)計 的原則。在滿足機(jī)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。

 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(jié)論
通過對CLK5162高速數(shù)控銑床的立柱進(jìn)行分析，得到 立柱前五階固有頻率。通過改進(jìn)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(jī)床其他部件優(yōu)化設(shè)計提供了理 論支持。

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