摘 要 通过对立式车床通常采用的横梁结构进行分析，发现其横梁结构具有悬臂特征和不对称的热平衡结构，加工中会引起车床的横梁变形，从而造成车床加工精度的降低。针对这两种情况，重新设计了一种双横梁结构，采用热对称设计，并且避免了悬臂情况，提高了车床的加工精度，并对新的双横梁结构进行了有限元分析，基本符合设计要求。
关键词 立式车床结构 双横梁 有限元分析
由于传统立式车床通常采用的横梁结构具有悬臂特征，这样会使得工件在加工过程中由于悬臂结构的变形导致加工的不精确。另外车床在工作时，加工主轴和刀具会产生大量热量，热量会通过热传导、热对流、热辐射传递给车床结构的各个部件，引起这些结构部件的温度上升，产生部件的热膨胀，从而会引起工件和刀具之间的相对不正确位移，即相对位置不正确，造成车床加工精度的降低[1]。
1 改进方案
新设计的横梁采用双横梁结构，主轴或刀架被放置在横梁截面中间，横梁采用对称结构，横梁左右两部分的热膨胀量大致相等，横梁被置于立柱截面中间。采用这种结构，可以减少加工时车床横梁结构热变形，双横梁车床结构如图1所示。
图1 双横梁结构车床
设计合理的横梁结构，控制它的动态特性，对于立式车床整体刚度和在实际切削中受到零件反作用力后引起的横梁形变有着非常重要的意义，会影响所加工零件的精度和整个车床的加工效率。质量轻，是横梁自身质量的要求，在横梁内部应考虑设置一些筋板结构，可以减轻横梁的质量，有效增强横梁的强度和刚度。需要减少变形时，可以在壁厚较薄的截面上设置筋板，对于在面积较大、壁厚较小的横梁上需要防止局部的形变产生的振动与噪音，因此，需考虑设置筋板。
常用筋板布置方式对箱体结构刚度影响见表1，其中 2、3、4 号模型筋板厚度为d，5号模型筋板厚度为d/2。
表1 筋板对封闭式箱体结构刚度的影响
横梁：长度为6 800 mm，如图2所示。
图2 单个横梁三维模型
2 双横梁的模态分析
模态分析是机械和结构动力学中一种极为重要的分析方法[2]。计算模态从机械结构的几何特性与材料特性等原始参数出发，采用有限元法形成系统的离散数学模型—质量矩阵和刚度矩阵，然后通过求解特征值问题，确定系统的模态参数。模态分析可以用来确定模型或结构的振动特性。通过模态分析，能够得到模型的自然频率(固有频率)、振型以及振型参与系数（即在特定方向上某个振型在多大程度上参与了振动）[3]。
因横梁结构在立式车床加工中的重要性，利用NX8.0软件与 ANSYS 软件之间的无缝连接功能，将立式车床横梁的UG模型导入到ANSYS软件当中，进行实际承受载荷状态和实际边界条件的模拟。
下面介绍立式车床上的横梁约束形式：车床立柱上丝杠的联接部位给横梁两端施加固定约束，将无摩擦约束设置在车床滑动导轨副和横梁中间位置，用来限制横梁的法向位移。选择价格便宜、抗变形、抗振性能良好的铸铁材料“Q235”作为横梁材料。根据实际加工过程中横梁的受力，给横梁和主轴箱结合位置施加X、Y、Z三个方向的等效集中载荷，大小分别为4 000 N、4 000 N和7 000 N。图3为立式车床横梁结构的有限元模型图。
图3 横梁的有限元模型图
横梁的固有频率见表2，模态分析如图4所示。
表2 横梁的固有频率列表1-10阶
图4 横梁的模态分析图
图5 横梁的静力分析图
通过对改进后的横梁进行模态分析和静力学分析可知：
（1）由图4模态振型图可知，横梁的第一阶和第二阶频率偏低，很容易发生X向的弯曲共振。因此应该设法提高横梁的一二阶固有频率，力争使横梁的第一阶第二阶固有频率超过100 Hz，这样加工中心在常规状态下工作，安全易于保证。
（2）由静力分析图5可知，横梁的最大变形发生在横梁中段，其最大变形量为0.008 mm，刚度比较高，抵抗变形的能力强。
（3）横梁的应力集中区域在中间部位以及两端，应力值远远小于材料的许用应力，横梁结构设计强度足够。
综上所述,横梁的变形及应力的大小符合设计要求，固有频率大小符合设计要求。此次关于横梁的改进还是比较成功的，横梁的应力集中区域在中间部位以及两端。
4 结语
结合大型数控车床的实际激励状况，对重新设计的双横梁进行了动态分析（模态分析），得到了固有频率和模态振型。振型图表明各个部件的动态性能情况，从这也可以看出各个结构的变形形式和最大变形区域出现的位置。通过分析，改进方案的双横梁结构可以有效减轻悬臂状态，改善热平衡情况，符合设计要求。并能为车床结构进一步的设计优化提供一定的理论支持。
