高速立式加工中心床身结构改进及不同工况下的分析*

高东强 王 伟 陈超群 孙 倩 张希峰

(陕西科技大学机电工程学院，陕西 西安 710021)

随着制造技术和工艺水平的提高，加工中心作为制造业的母机，越来越受到重视和研究，是现代数控机床技术的集中体现，反映了一个国家的制造技术水平，也成为当前和未来数控机床抢占的前沿领域。床身作为立式加工中心的主要承载部件，对加工中心起支撑作用，因此对床身的性能的研究就显得十分重要［1］。

1 立式加工中心床身结构改进

1.1 原床身结构

床身是高速立式加工中心的基础部件，对加工中心起到支撑的作用，如图1 所示，复合筋床身采用圆形孔筋和纵横肋条相结合，各方面能均匀收缩，内应力小［2］。

1.2 拓扑优化

在拓扑优化过程中，其分析类型选择“Shape Optimization”，给立柱和床身的接触面施加12500 N 的力，在X、Y、Z 这3 个方向上，给滑座和床身的接触面处分别添加783 N，1620 N，8000 N 的力，优化目标设置为30%，分析结束后优化结果如图2 所示［3］。

从拓扑优化密度云图看出来，伪密度为1 的材料主要出现在图2 中圈出区域，这些材料表示为可以去除的，而其他部分是建议保留的。由于床身是立式加工中心的基础部件，所以不是说只要是伪密度为1 的材料就都可去除，必须要考虑结构的完整性和美观度，可以适当对伪密度为1 部分的床身结构材料进行优化［4］。

床身底座的底板和靠近立柱的床身侧的伪密度为1 部分的面积相对较大，针对这一部分的结构，可以调整底板上孔径的大小，通过增大孔径的面积来减少一定的底板材料。

1.3 床身结构改进

依据拓扑优化的结果，将结果中伪密度为1 部分的床身结构进行适当的改进。其具体改进方法如下:

(1)将靠近立柱一边的侧面挖出两个对称的出砂孔，其直径和其他的出砂孔一样都为55 mm，这样不但可以使床身在结构上更合理，也使得在床身铸造过程中更好地成型。改造后的床身如图3 所示。

(2)由于床身底部与地面接触，不会出现很大的振动或者刚度问题，因此根据拓扑优化结果，将底部的三角形筋格的面积增大，这样既能减少床身的质量，也能适当提高床身结构的动态性能。改造后的床身如图4 所示。

2 床身不同工况下的比较分析

2.1 工作台不同工况下的分析

由于机床在加工过程中，工作台和滑座不是固定的，它会随着加工的需要来回移动，同时工作台处于不同的工作位置时，对床身造成的冲击和载荷是不一样的。因此针对这种情况，我们将工作台假设在3 个极限工况位置;左极限工况、居中工况、右极限工况［5］，其中当工作台处于左极限工况时，简图如图5 所示。

2.2 原复合筋床身结构3 种极限工况下的分析

(1)机床工作台左极限工况

在工作台处于左极限位置时，对床身结构进行静力分析，床身的左边导轨上经过分析可知它在垂直方向的受力大小为4650 N，X、Y 两个方向分别为457 N和1620 N，床身右边导轨上，其垂直方向的受力大小为3350 N，X、Y 两个方向分别为457 N 和1620 N。经过求解得出床身X、Y、Z 这3 方向的变形图以及总变形云图如图6 所示。

通过观察左极限工况下的静力分析可以得到它们的最大变形量如表1 所示。

(2)工作台居中工况

工作台居中工况时对床身结构的有限元分析方法、步骤和机床工作台左极限工况的床身的分析过程一样，这里不再重复叙述。但是在该工况下，床身的左边导轨上经过分析可知，它在垂直方向的受力大小为4000 N，X、Y 两个方向分别为457 N 和1620 N，床身右边导轨上，其垂直方向的受力大小为4000 N，X、Y两个方向分别为457 N 和1620 N，求解后的位移云图也与工作台左极限工况相似，该结构床身的位移变形量见表2 所示。

表1 工作台左极限时床身的最大变形量 μm

表2 工作台居中时的最大变形量 μm

(3)工作台右极限工况

工作台右极限工况时，床身的左边导轨上经过分析可知它在垂直方向的受力大小为3350 N，X、Y 两个方向分别为457 N 和1620 N，床身右边导轨上，其垂直方向的受力大小为4650 N，X、Y 两个方向分别为457 N 和1620 N，求解后的位移云图也与工作台左极限工况相似，该结构的床身结构的位移变形量见表3 所示。

表3 工作台右极限时的最大变形量 μm

3 改进后复合筋床身结构不同工况分析

(1)工作台左极限工况

在左极限工况时，对改进后的复合筋床身结构的静力分析，其有限元前期处理和导轨的受力与原床身结构分析时都一样，经过求解得出床身X、Y、Z 这3 方向的变形图以及总变形云图如图7 所示。

通过观察左极限工况下的静力分析可以得到它们的最大变形量如表4 所示。

表4 工作台左极限时的最大变形量 μm

(2)工作台居中工况

工作台居中工况时对床身结构的分析与机床工作台左极限工况的床身的分析过程一样，我们在这里就不再重新叙述。同时其加载形式和大小、位移云图也相似，该结构的床身结构的位移变形量见表5 所示。

表5 工作台居中时的最大变形量 μm

(3)工作台右极限工况

工作台右极限工况时，该结构床身的位移变形量见表6 所示。

表6 工作台右极限时的最大变形量 μm

4 改进前后床身结构在不同工况下的比较分析

通过对改进前后复合筋床身结构在3 种不同工况下的静力分析可知，当工作台处于左极限工况时，改进后床身结构的变形量在X、Y、Z 这3 个方向上均有一定的减小，同时总位移变形量也从原来的1.6618 μm减小为1.6236 μm，说明改进后床身结构的静态性能得到提高。

当工作台处于居中工况时，改进后床身结构的变形量在X、Y、Z 这3 个方向上均有一定的减小，同时总位移变形量也从原来的1.7216 μm 减小为1.6884 μm，说明改进后的床身结构的静态性能得到提高。

当工作台处右极限工况时，改进后床身结构的变形量在X、Y、Z 这3 个方向上均有一定的减小，同时总位移变形量也从原来的1.7831 μm 减小为1.747 μm，说明改进后的床身结构在该工况下的静态性能得到提高。

通过上面的比较分析可以得知，改进后的床身结构在不同工况下，其静态性能都是得到了提高。当工作台处于右极限工况时，床身结构在各个方向的变形量都最大，所以工作台处于右极限工况时，其单位静刚度最小，但是相比同类型的床身结构来说它满足床身精度要求。因此可以说床身结构在极限工况下的静态性能符合要求。

5 结语

对复合筋床身结构进行拓扑优化，根据拓扑优化的结果对其进行改进，得到理论上较优的床身模型，通过对工作台处于3 种不同工况进行分析，然后对改进后的复合筋床身结构在3 种不同工况下进行静力分析，通过分析结果可知改进后的床身结构的静态性能在3 种工况下都得到提高，同时得出当工作台处于右极限工况时，床身的变形量最大，但总体上其性能是符合要求的。

［1］汪宇，王东方.基于AnsysWorkbench 的立式加工中心床身有限元分析和优化设计［J］.制造业自动化，2009(9):129 -131.

［2］文怀兴，陆君，吕玉清.高速立式加工中心主轴箱结构设计及分析［J］，中国制造业信息化，2010(10):37 -38.

［3］高东强，毛志云，张功学，等.DVG850 工作台静、动态特性分析及结构改进［J］.机械设计与制造，2011(3):146 -147.

［4］林欢，高东强，张菲，等.高速立式加工中心工作台的有限元分析和拓扑优化［J］.陕西科技大学学报:自然科学版，2012(5):96 -99.

［5］杨曼云.基于有限元分析技术的VK50 数控床身铣机床底座设计［J］.机床与液压，2008，15(1);62 -65.