高速立式加工中心静动态特性分析及结构改进

高速立式加工中心静动态特性

第32卷第03期2011年03月

煤矿机械

CoalMineMachinery

Vol.32No.03Mar.2011

高速立式加工中心静动态特性分析及结构改进*

徐金华1，毛志云

2，3

，孙峻峰3，高东强

2

（1.宁夏中卫大河机床有限责任公司，宁夏中卫755000；2.陕西科技大学机电工程学院，西安710021；3.许继集团有限公

司，河南许昌461000）

要：利用ANSYSWorkbench软件对高速立式加工中心整机进行静力学分析，得出了静变

形云图，经过分析找出了整机静刚度较弱的部位；对整机进行了模态分析，获得了特殊频段的固有频率和振型，并对各阶模态振型进行分析，找到了整机结构中动态特性薄弱环节。根据分析结果对整机结构进行改进，改进后整机的静、动态性能明显要优于原整机，为机床的优化设计和再制造设计打下了基础。

关键词：高速立式加工中心；静力学分析；模态分析

中图分类号：TG541文献标志码：A文章编号：1003－0794（2011）03－0169－03

摘

StaticandDynamicCharacteristicAnalysisandStructureImprovement

ofHigh－speedVerticalProcessingCenter

XUJin-hua1，MAOZhi-yun2,3，SUNJun-feng3，GAODong-qiang2

（1.NingxiaZhongweiDaheMachineToolCo.,LTD.，Zhongwei755000，China；2.MechanicalandElectricalEngineeringCollege，

ShanxiUniversitityofScienceandTechnology,Xi’an710021,China;3.XJGroupCorporation，Xuchang461000,China）

Abstract：Thestaticanalysisofhigh-speedverticalmachiningcenterisstudiedbymeansofANSYSworkbench.Andthedeformationfiguresareacquired.Throughtheanalysisofthedeformationfigures,thelocationsofweakstaticstiffnessareidentified.Themodalanalysisisstudiedandtheorderofnaturalfrequenciesweneedareobtained.Throughtheanalysisofthevibrationmodesofthismachinetools,itsrelativeweakerpartsarepointed.Thestructureofthemachinetoolsisimprovedaccordingtotheanalysisresults.Thestaticanddynamiccharacteristicsoftheimprovedstructureareapparentlybetterthanthatoftheoriginaldesign.Itmakesabaseforoptimizeddesignandremanufacturing.Keywords:high-speedverticalmachiningcenter;staticanalysis;modalanalysis11.1

加工中心的静动态特性分析整机有限元建模

1.2静力学分析

机床的静刚度是指刀具与工件间在切削敏感

ANSYSWorkbench软件是以有限元分析为基

础的大型通用CAE软件，ANSYSWorkbenchEnvi-

方向产生单位变形所需力的大小。机床的静刚度主要决定于零、部件的材料、形状、尺寸和肋板的布置等因素，它是衡量机床整机特性优劣的一个重要指标。提高机床的静刚度值对于提高加工效率、加工精度和表面加工质量是十分有效的。

高速立式加工中心快速移动速度可达60m/min，所以要求切削过程中的背吃刀量很小，一般不超过

ronment（AWE）作为新一代多物理场协同CAE仿真

环境，它包含3个主要模块：几何建模模块、有限元分析模块和优化设计模块。ANSYSWorkbench软件的实体建模功能较弱，用三维软件Solidworks将高速立式加工中心整机模型建立起来，再通过程序接口将实体模型完整地导入到ANSYSWorkbench中，目前很多有限元分析过程都是采用在三维软件建立实体模型，然后通过程序接口导入到有限元分析软件中再进行分析计算。

考虑到一些细小特征对整体的性能影响很小，根据圣维南原理，在不影响模型精度的基础上，对机床零部件的局部特征进行了适当的简化。将部件中的倒角、工艺孔、退刀槽、螺纹等均按实体处理。在考虑机床主要结合面特征参数对整机特性影响的基础上，建立了较准确的整机有限元模型。

*国家科技重大专项（2009ZX040－014－02）

10μm，根据实际工况选取合理的切削参数，由切削

力经验公式估算出X、Y、Z3方向切削力均小于

1000N。因此，对整机有限元模型进行静力分析时，

在整机模型的刀具部位X、Y、Z3方向同时施加

1000N的静载荷，工件上加载与刀具所加载荷大

小相等，方向相反的力，来模拟机床在实际加工时受到的静态切削力。经过求解得出整机X、Y、Z三方向的变形云图，各向最大变形量值见表1。

X方向最大变形出现在立柱和主轴顶端，Y向

最大变形出现在主轴箱前端面，Z向最大变形仍出

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

高速立式加工中心静动态特性

第32卷第03期2011年03月

煤矿机械

CoalMineMachinery

Vol.32No.03Mar.2011

使用·维修

大倾角采煤工作面设备的防倒防滑措施

张超

（郑州煤矿机械集团股份有限公司，郑州450007）

摘要：随着大倾角采煤工作面煤层倾角的增大，液压支架高度的增高，液压支架的倾倒倾向加大，沿工作面倾角方向下滑的倾向加大，同时，工作面输送机上窜、下滑的趋势也同样加大。因此，对于大倾角采煤工作面来说，考虑液压支架的防倒防滑以及输送机的防滑问题就显得尤为重要。从综采工作面的三机设备—液压支架、采煤机、输送机来看，其三者之间的相互关系都是以液压支架为基础的，只有液压支架站稳了才能拉住输送机不至于下滑，输送机相对稳定了，才能为采煤机提供一个稳定可靠的运行通道。鉴于以上相互关系，着重从液压支架的设计出发来综合考虑大倾角采煤工作面设备的防倒防滑措施。

关键词：大倾角采煤工作面；设备；防倒防滑；措施

中图分类号：TB301文献标志码：A文章编号：1003－0794（2011）03－0171－03

MeasuresofPreventingFallSlipperytoEquipmentofBigObliquity

MiningWorkface

ZHANGChao

（ZhengzhouCoalMineMechnicalIndustryGroupCompany，Zhengzhou450007，China)

Abstract:Tothebigobliquityminingworkface,withtheincreasingobliquityofcoalbedandtheaddedheightofhydraulicsupport,thedeclineofhydraulicsupportwillberisedandthetendencyofdeclinewhichtowardsobliquityofworkfacewillbeincresed.Meanwhile,thetendencyofchannelingandslidingofworkfaceconveyorwillbeenlarged,too.So,tothebigobliquityminingworkface,itisimportanttoconsideringtheproblemofpreventingslipperyfallofhydraulicsupportandtheconveyor.Fromthethreemachinesofintegratedacquisitionthehydraulicsupport，thecoalminingmachineandtheconveyor,thehydraulicsupportisthebasisofthethreemachines.Onlythehydraulicsupportissteadythatitcanpulluptheconveyorthatwillnotbedecline.Thenthesteadilyconveyorthatcanprovideastableandreliableoperationchanneltothecoalminingmachine.Intheviewofaboverelations,fromthestartofthedesignofthehydraulicsupport,considersseriouslyandintegratelythemeasuresofpreventingfallslipperytotheequipmentofbigobliquityminingworkface

Keywords:miningworkfaceofbigobliquity；equipment；preventingfallslippery；measure

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又有比较高的模拟精度，有限元分析在机械结构的3.2模态分析结果比较

对于自由振动来说，系统受到一次扰动，所获

得的动能

（1）T=1mv2=1m（ω0A）2=2mπ2f02A2

式中A———最大振幅；

——固有频率；f0—

——振动速度。v—

当外来扰动的能量一定时，f0和A成反比，所以f0增大，振幅A就减小，因此，提高固有频率后，可以成比例地减小系统的自由振动。

对于切削振动，若能使系统各自由度的固有频率合理安排，则刀具和工件之间的相对振动便会减小。在一般情况下，提高整个弹性系统薄弱环节的固有频率，可以提高系统的抗振性。由模态分析得出1、4、8、14、17阶固有频率值见表2，与原整机相比对应阶的固有频率值均有提高，明显影响整机动态性能，薄弱环节得到一定的改善，这说明改进后整机的动态性能比原整机要好，改进方案是可行的。4结语

利用ANSYSWorkbench软件对机床进行有限元分析既可以缩短产品开发周期降低生产成本设计中是非常重要的手段。

机床的立柱、主轴箱和床身是影响机床静、动态性能的关键部件，根据机床整机静力学和模态分析结果，对立柱、主轴箱和床身结构参数的改进，得出了性能较优的机床模型，提高了机床的加工精度。

参考文献：

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北京：清华大学出版社，2008.

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床与自动化加工技术，2009（3）:8-11.

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［7］于英华,刘建英,徐平.泡沫铝材料在机床工作台中的应用研究

［J］.煤矿机械,2004，25（7）:20-21.

［8］刘习军，贾启芬，张文德.工程振动与测试技术［M］.天津:天津大

学出版社,1999.

作者简介：徐金华（1970-），宁夏中卫人，高级工程师，主要研

究方向：机械设计与制造.

责任编辑：侯淑华收稿日期：2010－10－22

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/wyb1.html