定梁式数控龙门镗铣床横梁结构优化设计

0 引言

横梁是龙门机床的重要部件，横梁体三维模型如图1所示，横截面剖视图如图2所示。其本身是一个弹性系统，且跨距较大，在重力、切削力、夹紧力等的作用下，除了产生零件自身变形外，还引起溜板、滑枕等零件各接触面之间的接触变形，各部分变形综合作用的结果使得刀尖轨迹发生变化，造成刀具和工件的相对位移，从而影响加工精度。

图1 横梁体三维模型

图2 横梁体截面图

在实际工况中，横梁两端分别与左右立柱紧固，溜板与横梁结合的上导轨面采用滚动块与蝶簧组合，溜板后压板面及溜板与横梁结合的内导轨面镶滚动块，其他导轨结合面贴氟塑软带，由交流伺服电机及滚珠丝杠螺母副驱动溜板水平移动。滑枕及溜板结合导轨采用聚四氟乙烯软带滑动导轨，由交流伺服电机带动滚珠丝杠旋转，实现滑枕沿溜板导轨作上、下移动，如图3所示。

图3 横梁与溜板、滑枕装配模型

1 建立有限元模型

在做有限元分析时，通常要对几何模型进行适当简化，否则将大幅度增加网格数量、延长计算时间，甚至导致计算结果错误或无法收敛。因此，在保证分析精度的前提下，为了尽量降低计算成本，本文对研究对象进行了适当的简化。在此基础上依次定义部件材料、相互接触关系及载荷，并划分网格。装配体网格模型如图4所示。

图4 装配体网格模型

2 有限元分析

分别研究横梁在自重下及实际工况下的变形情况，横梁由自重引起的最大变形量为1.372×10-2mm，如图5所示。在极端工况下的最大变形量为3.531×10-2mm，如图6所示。由此可见，横梁体导轨的接触变形约占整个变形量的61%，因此导轨是横梁体结构最重要也是最薄弱的环节，因根据其承载特点确定合理的承载结构。

3 优化设计

图5 横梁体自重下的合位移分布云图

图6 横梁体极端工况下的合位移分布云图

基于上述横梁体分析，本文对其进行优化设计，以期达到提高性能、降低重量的目的。就材料而言，钢板焊接横梁具有传统铸铁件无可比拟的优势，但鉴于实际生产需求，且为了和原有结构形成对比，本文仍然采用HT300作为横梁体材料。首先使用ABAQUS进行拓扑优化，分析其材料分布趋势，从图7所示迭代过程可以看到，迭代开始时，主要去除支撑面及其两侧的材料，其次移除横梁体后上部材料移除，内部筋板也随之呈三角形结构。之后，结合相应的设计原则及实际经验进一步完善优化结构。铸造横梁体壁厚取30mm，在凸台和导轨等的连接处，壁厚适当加厚。通过分析不同截面形状的力学性能，结合横梁体的承载特点，本文提出一种新的横梁结构形式，如图8所示。这种结构的特点是刚性好、结构紧凑、节约材料等。

图7 优化迭代过程

为了验证优化设计结果的合理性，采用有限元法对其进行分析并比较优化前后的结果。由于横梁截面形状发生了变化，需要对溜板进行相应的调整，滑枕、主传动箱结构保持不变。

图8 优化后的横梁体

将优化后的模型导入到ABAQUS，为其设定与优化前分析模型相同的材料属性、相同的分析步、相同的相互作用、相同的边界条件、相同的网格尺寸及网格类型，分别就横梁体、横梁组件的静、动态特性进行分析。横梁体极端工况下的合位移分布云图如图9所示。验证表明，优化后的横梁体在重量减轻35.70%的同时，变形及应力分布均得到较好的改善，一阶固有频率提高37.93%，优化方案合理可行。静态特性及动态特定均得到较好的改善，优化方案合理可行。优化前后参数对比如表1所示。

图9 横梁体极端工况下的合位移分布云图

表1 横梁体优化前后参数对比

4 结束语

本文通过建立定梁式数控龙门镗铣床横梁部件三维模型，采用有限元分析的方法对其在实际工况下的静、动态特性进行系统研究，在此基础上进行优化设计，提出一种合理可行的优化方案，使横梁提高性能的同时，实现轻量化设计，有效降低生产成本，提升整机品质。