基于ANSYS的某复合机床焊接横梁动态特性分析.pdf

第 1 0期 2 0 1 3年 1 0月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o d ul a r M a c h i ne To o l＆ Aut o m a t i c M a nu f a c t ur i ng Te c hn i qu e NO． 1 O oc t ．20 1 3 文章编号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 3 1 0 0 0 5 4 0 4 基于 A N S Y S 的某复合机床焊接横梁动态特性分析 刘 洋 ， 韩德 建 一， 张进 生 一 ， 王 志 山东大学 a ． 机械工程学院； b ． 高效洁净机械制造教育部重点实验室， 济南 2 5 0 0 6 1 摘要 在分析 了一种大型无缝环件车铣复合中心的工艺特点和精度要求后提 出了两种新设计的焊接 横 梁代 替原有 的铸 造横 梁 。根 据 焊接件 的设 计原 则对横 梁 内部 的肋 板 结构 和布 置进 行 了重新设 计 ， 并从 静 、 动 态特性 两个 方 面对横 梁的 性 能进 行 了分 析 ， 静 力 学分 析 过程 采 用 了理 论 计算 和 仿 真相 结 合 的方 式研 究 了三种方 案的静 刚度 ， 模 态分析 过程研 究 了各 方案 的 固有 频 率和振 型 。通 过 分析得 到 动 态性 能 良好 、 误 差敏 感方 向 变形最 小的方 案 ， 从 而 为后 续机 床 的改进提 供依 据和 指导 。 关 键词 大型无缝 环件 ； 横 梁 ； 焊接 ； 模 态分析 ； 动 态特性 中图分 类号 T H1 6 4； T G 5 ； T P 3 文献标 识码 A Dy na mi c a l Cha r a c t e r i s t i c s An a l y s i s f o r t h e W e l de d Be a m o f A Co mpo un d Pr o c e s s i ng Ce n t e r Ba s e d o n ANSYS L I U Ya n g 一，HAN D e j i a n 一，Z HANG J i n s h e n g ，WANG Z h i ’ a ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ； b ． T h e K e y L a b o r a t o r y o f t h e E f f i c i e n t C l e a n Ma c h i n e r y Ma n u f a c t u r i n g，S h a n d o n g Un i v e r s i t y，J i n a n 2 5 0 0 6 1 ，C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o t h e p r o c e s s f e a t u r e a nd a c c u r a c y r e q u i r e me nt o f a l a r ge s e a ml e s s r i n g c a r mi l l i ng c o mp o u nd p r o c e s s i n g c e n t e r ，ha v e p r o p os e d t wo n e w t y p e s o f we l d e d b e a ms t o r e p l a c e t h e o r i g i na l c a s t i ng be a m． Ac c o r d i n g t o t he we l d a s s e mb l y d e s i g n p r i n c i p l e，r e d e s i gn e d t h e s t r u c t u r e s a n d l a yo u t s o f r i b s i n we l d i n g b e a ms a nd a na l y z e d t h e b e a m ’ S p r o pe r t y fro m s t a t i c p r o p e r t y a n d d y n a mi c p r o p e r t y，go t s t a t i c r i g i d i t y i n St a t i c a na l y s i s b y t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n a n d s i mu l a t i o n a nd na t u r a l fre q u e n c y a nd mod e s h a p e o f v i b r a t i o n i n mo da l a na l y s i s ．By t hi s wa y，ha v e go t t e n t h e we l d e d be a m t h a t h a v e be t t e r d y n a mi c pe r - f o r ma n c e a n d s ma l l e r d e f o r ma t i o n i n e r r o r s e n s i t i v e d i r e c t i o n，wh i c h pr o v i d e b a s i s a n d d i r e c t i o n f o r f u r t he r ma c h i n e t o o l d e s i g n． Ke y wo r ds l a r g e s e a ml e s s r i n g；b e a m ；we l d；mo d a l a n a l y s i s ；d y n a mi c a l c ha r a c t e r i s t i c s O 引言 随着 核 电 、 风 电 、 航 空 航 天 等 行 业 的 发 展 ， 对 其 关键 共性 零件 大型 无缝 环 件 的 加工 精 度 和 生产 效 率提 出更 高 的 要 求 ， 中心 研 发 的复 合 加 工 中 心集 车 削 、 铣 削 、 钻 孔 等 功 能 于 一 体 ， 针 对 大 型 无缝 环 件 的加工要求 而设计。横梁作为关键支撑部件 ， 其性 能 对机 床精 度影 响甚 大 ， 焊 接横 梁 力 学性 能 高 、 工 艺 简单、 成本低、 改 型快等特点 ， 有着铸造结构无法取 代 的优 势 ， 但 需 要 解 决 在 保 证 焊 接 结 构 工 艺 性 前 提 下 的静 、 动刚度控制等关键技术问题。 近年来 ， 国 内外 都 对 焊 接 横 梁 的动 态 特 性 进 行 了一定的深入研究。尹刚⋯ 等人对直驱式高龙龙 门 五轴 加工 中 心横 梁 进 行 了设 计 ， 焊 接 横 梁 外 形 采 用 了一 种类 似梯 形 的结 构 ， 并 和 铸 造 横 梁 进 行 了定 性 比对。季伟东 等人将 C K 5 2 1 0 05 0 ／ 1 5 0 L型数控 双立柱立式车床的横梁 由原先 的铸造结构改为焊接 结构 ， 并通 过有 限元 分析 计 算 ， 满 足设 计 要 求 。A l e x T ．C h e n和 T ． Y ．Y a n g 针对 于非 匀 质 对 称 叠 层 梁 特点 ， 利用 一 种 新 型 有 限 元 算 法 在 微 型 计 算 机 上 对 横梁进行静动态特性分析 。本论文在借鉴前人 的研 究方 法 的同 时 ， 针 对 我 中心 开 发 的大 型无 缝 环 件 车 铣 复合加 工 中心上 的横 梁 结 构提 出 了两种 不 同的方 案 ， 并在 静 、 动 态性 能方 面 和 铸造 横 梁 进行 定 量 对 比 分 析 ， 得 到适 用于本 复合 加工 中心 的最优 方 案 。 1 横 梁焊接 结构 方案设计 大型无缝环件车铣复合 中心总体结构如图 1所 示 ， 横梁在 自身重力、 刀架 的重力和切削力的作用下 会 产生 弯 曲和扭 转变 形 ， 影 响 刀头 的定位 精 度 ， 并 引 起 被加 工平 面 的 中凹误 差 。机 床在 工 作 过程 中产 生的振动 引起 的横梁变 形也会 影响机 床 的加 工精 收稿 日期 2 0 1 3 0 3 0 5 作者简介 刘洋 1 9 8 8 一 ， 男 ， 山东大学机械工程学 院硕士研究生 ， 专业方向为机床设计与动 力学优化 ， Ema i l m e l i u y a n g l O l 8 1 6 3 ． e o m 通讯作者 张进生 1 9 6 2 一 ， 男 ， 山东 淄博人 ， 山东大学机械工程学院教授 ， 博 士生导师 ， Em a i l z h a n g j s s d u ． e d u ． e n 。 2 0 1 3年 1 O月 刘 洋 ， 等 基于 A N S Y S的某复 合机床 焊 接横 梁动 态特 性分 析 5 5 度 。论文 对 设 计 的三 种 横 梁 结 构 进 行 了 静 、 动 态 特 性分 析 ， 寻找 性 能 最 优 的 方 案 应 用 于 本 复 合 加 工 中 心 。根据 材 料 力 学 截 面 的 惯 性 矩 的理 论 ， 确 定 了三 种 比 较 合 理 的 横 梁 结 构 方 案 ， 外 形 尺 寸 长 L 7 0 0 0 mm， 宽 B8 6 0 mm， 高 H 9 5 0 mm， 如图 2所示。 c 图 2横梁 的结构 方案 方 案 a采 用 铸 造 结 构 ， 材 料 为 灰 铸 铁 。铸 件 内 部 采 用 4 5 。 斜 向交叉 筋 板 ， 横 向筋 条采 用 间 隔 布置 的 方 式 ， 为减 少 大件 扭 转 时轮 廓 畸 变 ， 横 向筋 条 布 置 间 隔取 滑座 长度 的 1 ／ 2 ， 横 向筋条 有 助 于提 高 横 梁 的抗 扭 刚度 ， 斜 向筋 板 能 同 时 提 高 横 梁 的抗 弯 和 抗 扭 刚 度 。根据铸件外形尺寸系数 Ⅳ、 最大尺寸和次大尺寸 确定铸 件 壁 厚 取 为 4 0 m m， 腔 内 肋 板 厚 度 取 0 ． 6～ 0 ． 7 s ， 其 中 s 为肋板 所 在处壁 板 的厚 度 ， 本 方 案 中肋 板 厚度 取 2 5 m m。 方案 b为 由铸 造 结 构 改 成 的焊 接 结 构 ， 考 虑 焊 接 工 艺 性 问 题 ， 取 消方 案 a中 的斜 向筋 板 以纵 向的 筋 条替 代 ， 横 向 筋 条 和 纵 向筋 条 间 隔 布 置 。采 用 周 向对 称方 式 可 有效 避 免 焊接 后 出 现横 向收 缩 和角 变 形 。焊 接 时采 用 多 层 焊 的方 式 进 行 ， 对 称 进 行 工 作 从 而达 到变 形最 小 的 目的 。根 据 钢板 焊 接 大 件 与 铸 铁大 件 的壁 板 动 刚 度 的相 对 关 系 可 知 ， 钢 板 焊 接 大 件 的壁 厚 不 能简 单 地 根据 它 与铸 件 有 相 等 的本 体 静 刚度 这一 条 件 来 确 定 ， 必 须 考 虑 壁 板 的 动 刚度 不 足 以 引起振 动 和 噪 声 ， 根 据 这 一设 计 原 则 焊 接 件 壁 厚 一般 取相 应 铸 件 壁 厚 的 2 ／ 3～ 4 ／ 5 ， 本 方 案 中 壁板 厚 度取 3 0 m m， 肋 板厚 度取 原则 取 2 0 mm。 方 案 c为重 新 设 计 的横 梁 焊 接 结 构 ， 在 该 方 案 中采 取 的是 波 浪 形 筋 。波 浪 形 筋 采 用 间 断 焊 ， 只焊 接一 半 以增 加 焊 缝 阻 尼 能 力 ， 各 壁 焊 接 好 后 进 行 组 装焊 接 ， 焊 接 后 进 行 低 温 退 火 以减 少 内 应 力 。壁 板 和筋 的厚 度 和 方 案 b一 致 ， 即壁 厚 取 3 0 mm， 空 间 对角 筋厚 度取 2 0 ram。 通过 S o l i d Wo r k s的 质 量 属 性 查 看 功 能 ， 可 方 便 查看各 方 案 的质 量 ， 如表 1 所 示 。 表 1各 方 案 质 量 属 性 对 比 方案 质量／ k g 方案 a l l 9 6 4 方 案 b 8 8 2 3 方案 c 8 5 1 6 2横梁动态特性分析 机械加工 过程 中， 机 床振 动 是一 种 十分 有害 的现 象 。如果加 工过程 中产 生 振动 ， 刀具 和工 件 之 间的位 移会在工件 表面产 生振 痕 ； 工艺 系统 承受 的动态 交变 载荷使刀具易于磨损； 有时为了减小振动而不得不降 低切削用量 ， 降低 切削 效率 。 因此必 须对 机 床进 行结 构动力学分 析提 高动 刚性 ， 以指 导设 计 。静力 学分 析是横梁进 行动力 学分 析 的基 础 ， 因此在 对 横梁 结构 进 行动态分析 之前将对横 梁进行静力 学分析 。 2 ． 1静力 学分 析 加 工过程 中 ， 机床 横 梁承 受 的载荷 主 要有 自身重 力 、 刀架重力 和切 削力等 ， 在 这些弯 曲和扭转 载荷 作用 下 ， 横 梁发生 变形 ， 影响刀架 、 滑板等 的相 对运 动精度 ， 进 而影响加工 精 度。为 保证 分析 结 果准 确性 ， 在静 力 学计 算 中采用 理 论计 算 和 A N S Y S仿 真相 结合 的方 式 进行 。 图 3为 加工过程 中横 梁 的受 力 简 图 ， 横 梁 可 以 简化 为双支点 绞 支梁 。对 于非加 工 工况 ， 此 时刀具 不 进行 车削 ， 机床 变形 不 影 响工件 精 度 。本 机床 加 工直 径 范围 为 2 0 0 0～6 5 0 0 0 m m， 加工 小 于 6 2 0 0 0的工 件 时， 机床的加工精度难以保证 。考虑极限加工状态， 滑 座位 于横梁 的中部 、 加工 6 2 0 0 0 m m工件且 滑枕伸 出最 长时 ， 横梁此 时受力状态最 为恶劣 。 Z 图 3横 粱 简 化 模 型 其 中横梁 自重作为均布载荷 q考虑。主轴箱和 刀架 自重作为集 中载荷 考虑 ， 这一载荷使横梁 发 生 弯 曲和扭 转 。分别 计 算 机床 车 削 、 铣 削 、 钻 削 时 的 主 切削 力 、 背 向力 、 进 给 力 。对 于 大 型 、 重 型 机床 ， 机 床 的最 大切 削力 约 为 各 工 况 最 大 切 削力 的 1 ． 6倍 ， 综合考虑加工 中的各类工况 ， 确定最大 主切 削力 为 5 6 组合 机床 与 自动化 加工技 术 第 1 0期 5 0 k N， 背 向力 为 2 5 k N， 进 给力 为 2 5 k N。 在 本加 工 中 心 中根 据 运 动 方 向、 安 装 空 间 等 选 择 挂 壁 式 安 装 姿 势 ， 如 图 4所 示 。在 最 大 切 削 力 工 况下 ， 根据 受力 平衡 ， 有 ∑P F ∑P 一 P ， P 2 ’ 。 n 。 一 。 。 一 P P 4 ‘ 0 P fl 导 F 号 一 P f2 P d 。 式 中 ， 为 刀架与 滑座 的 总重 力 ， F F ， 、 F 为 三个 方 向的切 削分力 ， P 为滑块 受 到 的法 向压 力 ， P 为 滑块 受 到的侧 向压力 ， C 为 导 轨 间 距 ， d为 滑块 间距 ， o为 重力 到驱 动力 滚 珠 丝 杠 对 螺母 的作 用 力 F 的距 离 ， 为切 削力在 竖直 方 向上 到下 导轨 的距 离 。 ／ ＼ 图 4滑块 受 力简 图 由导轨 的安装 方式 和 受 力分 析 ， 可 近 似认 为 在 同一 条 导轨 上 的 滑 块 受 到 的法 向压 力 相 等 ， 同一 竖 直线 上 的两 滑块受 到 的侧 向压 力相 等 ， 即 f P P 2 f P P t3 【 P P 【 P P 求 得 P 1P 2 一8 1 7 3 0 N， P 3P 41 0 6 7 3 0 N， P 。 P 一 4 4 1 9 6 N， P 2 P f 4 3 1 6 9 6 N， 负号 表 示 方 向与 图示方 向相反 。 将上述 分析得到 的滑块受力情 况作为 A N S Y S 力 边 界 条 件 ， 利用 Wo r k b e n c h求 解 横 梁 各结 构 的 有 限元模 型 ， 可 以方便 的得 到 三种 方 案 、 l ， 、 z三 个 方 向的位 移 和总位 移 。结 果 如下 1 对 于 总 位 移 ， 方 案 a铸 造 横 梁 的 最 大 ， 为 0 ． 1 9 m m， 方案 b焊接横梁的总位移为 0 ． 1 4 ram， 方案 C 焊接 结构 的最 大变 形量 为 0 ． 1 6 m m。方 案 a与方 案 b 相 比 ， 方案 a的总位 移 大约为 方案 b的 1 ． 5倍 。 2 横梁 的 l ， 向和 z 向是环 件加 工时 的误 差敏感 方向 ， 因此 y 、 Z两个 方 向的变形 对加 工精 度 的影响较 大。3种方案 中 ，y向方 案 b变形 最小 ， 为 0 ． 0 1 7 7 m m， 方案 C次之 ， 位移 为 0 ． 0 1 8 7 mm； Z向是 方案 C 变 形最 小 ， 为 0 ． 0 1 7 7 mm， 方 案 b次之 ， 为 0 ． 0 2 2 6 m m。 根据 分析 结 果 可 知 3种 方 案 均 能 满 足 刚 度 要 求 ， 且焊接结构的刚度要高于铸造结构的刚度 ， 其 中 y向刚 度方案 b最 大 ， 但 与 方 案 c相差 不 大 ； Z 向 刚 度 方案 C 最 大 ， 方 案 b次 之 ； 整 体 刚度方案 b最 大 ， 方 案 C次之 。上述 过程 只是对 这 三 种方 案 进 行 了 静 刚 度 分析 ， 到底 哪种 结 构 方 案 最 合 理 还 必 须 进 行 动力 学 分析 。 2 ． 2模态 分析 模态 理论 是 运 用 固有 振 型矩 阵 的 正 交 性 ， 对 振 动系统运动微分方程 的各系数矩阵解耦 ， 使各 系数 矩阵对角化 ， 从 而使 多 自由度 的复杂结 构成 为多个 单 自由度系 统 的叠 加 。 由于 影 响车 铣 复合 中心加 工 精度 的主 要 原 因是 加 工 过 程 中 的振 动 ， 因此 对 横 梁 的模 态分 析 主要 是 得 到横 梁 的 固有 的振 动 特性 即 固有频 率 和 振 型 。本 次 研 究 采 用 了 A N S Y S分 析 软件进 行模 态分 析得 到 横梁 不 同 结构 的固有 频 率 和 振 型 。该加 工 中心铣 刀 的最 高 转 速 的 1 0 0 0 r ／ m i n ， 激 振 频率并 不 高 ， 只需 最 低 几 阶模 态 的 固 有 频 率 即 能 与激振频率重合或接近 ， 在本次研 究中分析了各结 构方 案 的前 六 阶模 态 。 各 横梁 方案 的 固有频 率 和 振 型描 述 如下 文 中的 表和 图所示 ， 受文 章 篇 幅 限制 ， 仅 给 出 了各 方 案 的前 四 阶振 型 图 。 表 2不同方案下横梁的各阶固有频 率 ＼固 有频率 设计方 ＼＼ ＼ 1阶 2阶 3阶 4阶 5阶 6阶 方案 a 8 4 ． 3 6 l O 2 ． 8 5 1 2 8 ． 1 8 1 3 3 ． 2 1 4 0 ． 2 5 1 4 8 ． 3 4 方案 b 1 0 3 ． 5 5 l 6 8 ． O 5 1 8 6 ． 2 9 2 2 0 ． 9 4 2 4 7 2 5 5 ． 5 8 方 案 c 1 3 8 1 7 l 5 7 ． O 2 2 2 3 ． 9 4 2 2 7 ． 9 7 2 3 0 ． 5 4 2 3 3 ． 2 7 机床的激振频率 ， 分为 自激振动频率和受迫振 动频率。对 于本类机床 ， 在切削过程 中的 自激振动 频率 一 般 在 3 5～5 5 H z的 范 围 内 。车 削 时受 迫 振 动 是由车削力周期性变化引起的 ， 其振动频率较小 ； 铣 削 时 的受 迫振 动频 率是 由铣 刀刀 齿 的接 触 频 率 引起 的 ， 一 般 为 2 5～ 6 6 H z l o ] 。 由 表 2可 看 出 ， 各 方 案 的 各 阶 固有频 率 均 大 于 机 床 的 工 作 频 区 ， 因此 能 避 开 激振 频率 引起 的共 振 。从 表 中 还 可 以 看 出 ， 铸 造 结 构 的 固有 频率 要低 于焊 接结构 ， 即方 案 b和 C固有频 率 要高 于方案 a 。 黑 黑 1 阶 2 阶 黑 3 阶 4 阶 图 5方 案 a前 四 阶振 型 图