轻质多孔结构在机床工作台的应用与研究.pdf

第 1 0期 2 0 1 4年 1 O月 机 械设 计 与 制造 M a c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 轻质 多孔结构在机床工作台的应用与研究 高东强 ， 韩 昆 ， 张守丽 ， 杨磊 1 ． 陕西科技大学 机电工程学院， 陕西 西安7 1 0 0 2 1 ； 2 E 京工业大学 机械工程与应用电子技术学院， 北京 1 0 0 1 2 4 摘要 以D V G 8 5 0高速加工中心工作台为研究对象， 将轻质多孔结构应用到该工作台结构中， 设计出正方形和正三角 形两种轻质多孔结构， 利用 A N S Y S Wo r k b e n c h 进行有限元分析， 与原工作台相比， 轻质多孔结构的工作台可以大幅度提 高工作台的刚度和抗掘 }生能， 同时还减轻工作台的质量； 再对相同条件下的正方形孔结构和正三角形孔结构的性能进行 比较得出 正三角形轻质多孔结构静、 动态特性优于正方形孔， 还比正方形孔结构的质量轻。另外， 对性能优越的正三角 轻质多孔结构工作台进行了谐响应分析， 分析结果与模态分析一致。 关键词 工作台； 轻质多孔； 静态分析； 动态分析 中图分类号 T H1 6 ； T H 5 0 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 4 1 0 0 0 9 9 0 3 T h e Re s e a r c h a n d Ap p l i c a t i o n o f t h e L i g h t we i g h t P o r o u s St r u c t u r e i n t h e Ma c h i n e Wo r k b e n c h G AO Do n g - q i a n g ，HAN Ku n ， Z HANG S h o u - l i ，YANG L e i 1 ．Me c h a n i c a l a n d E l e c t ri c a l E n g i n e e ri n g ， S h a a n x i U n i v e r s i t i t y o f S c i e n c e＆T e c h n o l o g y ， S h a a n x i X i ’ a n 7 1 0 0 2 1 ， C h i n a ； 2 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g a n d A p p l i e d E l e c t r o n i c s T e c h n o l o gy， B e i j i n g U n i v e r s i t y ， B e i j i n g 1 0 0 1 2 4 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e w o r k b e n c h D 厂D VG 8 5 0 h i g h - s p e e d m a c h i n i n g c e n t e r i s s e e n t h e r e s e a r c h o b j e c t ． The p o r o u s s t r u c t u r e is a p p l d t o t h e w o r k b e nch ， t he s q u are a n d t r i a n g l e l i g h t w e ig h t p o r o u s s t r u c t u r e ar e d e s i g n e d ． The fi n i t e e l e m e n t a n a l y s is is d o n e b y ANS YS Wo r k b e n c h ．Co m p a r e d wi t h the o ri g i n al w o r k t a b le，l i g h t we i g h t p o r o us s t r u c t u r e wo r k b e n c h C an g r e a t l y i m p r o v e the r a n d v i b r ati o n r e s is t a n c e p e 咖册以 We t h e w o r k b e nch ， a n d r e d u c e t he q u a l i t y t h e w o r k b e n c h ； a g a i n ， t he p e 咖r 玎 埘 e s q u are h o l e s t r u c t u r e a n d￡ z g h o l e s t r u c t u r e a r e c o m p a r e d u n d e r t h e s a m e c o n d i t i o n s ， a n d t h e s t ati c and d y n a m ic c h ar a c t e r i s t ic s t r i a n g l e l i ght p o r o us s t r u c t u r e is g o o d c o m p are d w i t h the s q u a r e h o l e ， and k s g i s a l s o l i ght t h an s q u are h o l e s t r u c t u r e ．B e s id e s ， t h e r e i s a h a r m o n ic r e s p o nse a n a l y s is f o r t h e s u p e r i o r p e r ma nce t he w o r k t r i ang l e l i ght p o r o us s t r u c t u r e ． The anal y s i s r e s u l t s are c o nsis t e n t w i t h t he m o d al a n a l y s is ． Ke y W o r d s W o r k b e n c h； Li g h t - W e i g h t P o r o u s ； S t a t i c An a l y s i s ； Dy n a mi c An a l y s i s 1 引言 工作台是 D V G 8 5 0高速立式加工中心的重要基础件 ，它的 静、 动态特性直接影响机床的加工精度及精度稳定性。机床的静 态特性是指机床在静态力作用下的变化特陛，而机床的动态特陛 是指机床在振动状态下的特 。 在机床的设计中， 工作台作为高速 立式加工中心的重要基础部件， 减轻其质量， 提高其刚度、 抗振陛等 对机床整体来说十分必要口 。轻质多孔材料是应能源环境等的要求 发展起来的一种材料体系， 要求在满足结构性能的条件下减轻其 质量， 或者在特定的用量前提下充分发挥材料的性能优点圈 。 正方 形和三角形多孔结构的质量轻、 刚度好、 强度高等特点为机床工 作台设计提供了新的参考。 2建立模型 以 D V G 8 5 0 高速立式加工中心为研究对象， 利用 P r o ／ E强大 的建模功能建立原工作台实体模型， 如图 1 所示。保持原工作台 外壳尺寸不变， 将其内部加强筋设计为正方形孔结构和正三角形 孔结构， 其中它们的边长均为 9 0 mm， 厚度均为 3 m m， 最终设计的 工作台， 如图2 、 图 3 所示。在建模时， 考虑到一些细小特征对工 作台的整体性能影响很小， 根据圣维南原理， 对其局部特征如倒 角、 螺钉孔、 凸台等进行了简化|q 。 图 1原工作台 F i g ． 1 Or i g i n a l W o r k b e n c h 来稿 日期 2 0 1 4 0 3 3 0 基金项目 国家“ 高档数控机床与基础制造装备” 科技重大专项 2 0 0 9 Z X 0 4 0 0 1 - o 1 4 _ 0 2 作者简介 高东强， 1 9 6 0 - ， 男， 陕西咸阳人， 博士， 硕士生导师， 主要研究方向 逆向工程、 快速成型 l O 0 高东强等 轻质 多孔结构在机床工作 台的应用与研究 第 l 0期 图 2正方形多孑 L I 作台 ng ． 2 S q u a r e P o r o u s W o r k b e n c h l 3正 _二角多孔T作台 F i g ． 3 Zh e n g S a n J i a o Po r o u s Wo r k b e n c h 3有限元分析 3 - 1有限元建模 1 作台材料为灰铸铁密度p 7 3 4 0 k g ／ m ，弹性模量 E I ． 6 x 1 0 , 1P a ， 泊松比 A O ． 2 5 。正方形和正i角形轻质多孔结构材料均 为锌 ； 合金 ， 密度 p 2 7 7 0 k g ／ m ， 弹性模量 E 7 。 1 1 0 P a ， 泊松 比 A 0 ．3 3 。选取加T巾心常见～ 1 况， 主轴转速 n 6 5 0 0 r ／ m i n ， 高速钢铣 刀 径 d 5 0 m m， 齿数 Z -- 8 ， 加T碳素结构钢 6 5 0 MP a ， 由切削 力经验公式 算得 ， 主切削力为 4 4 0 2 N， 背 吃刀力 2 6 9 0 N ， 进给力 为 3 4 2 4 N， 选择l l 作 台表而 、 v 、 z的 3 个方 向添加对应 的三 向切 削力 3 ． 2静力学分析 结构抵抗变形的能力 静刚度 与其材料弹性模量和截面形 状 寸有l关， 是结构本身的同有特性 ， 与外界载荷无关， 静刚度越 高， 说} 1月 其静态特性越好。对丁作台进行静力学分析可以得出其 各向静变形最， 进而求m各向静刚度。 I 作f 静力分析结果在 总， 如表 1 所示。最大变形 ， 如图 4 ～ 图 6所示。 图 4原1 作 变形 F i g ．4 D e ,f o r ma t i o n o f t h e Or i g i n a l W o r k b e n c h 网 5正方形多T L v _ 作台变形 Fi g ． 5 De f t , , ’ma t i o n o f S l u a t P o r o u s W o r k b e n c h 图 6三角形多孑 L r 作台变形 F i g ． 6 De f o r ma t i o n o f t h e Tr i a n g e P o r o u s W o r k b e n c h 根据分析结果 ， 提取T作台的变形值， 代人刚度公式 1 ， 得 出的静 力学分析汇总 ， 如表 1 所示。 卫 1 式 中 一静刚度 ； p 作用力 ； 广 变形量。 表 1静力学分析结果汇总表 Ta b ． 1 S t a t i c s An a ly s is Re s u lt s 从表 1 可以看出，正方形多孑 L T作台的各项静变形值有很大 的减小 ， 其最大变形值为 1 ． 6 0 tx m， 质量减少 1 7 ． 8 9 k g ， 静刚度与原 结构相比有明显提高；正二 三 角形轻质多孔结 构与工作台比原工 作台各项静变形值有更大幅度的减小， 最大变形值为 1 ． 5 3 1x m， 质 量减少 2 2 ． 9 5 ， 静刚度也提高更多。综上分析说明， i F 方形轻质 多孑 L 结构与正三角形轻质多孔结构相比还有一定的差距，所以在 相同孔边长、 孑 L 壁厚和材料的条件下， 正三角形的轻质多子 L 结构更 能提高机床lT作台的静刚度， 减少T作台的质量， 这大大减少了工 作台在高速加工 中产生的动载荷 ， 同时实现结构的轻量化没计。 3 ． 3模态分析 机床的固有频率是机床动态特性的一个主要指标，提高机 床的固有频率， 可以提高机床的动刚度， 从而提高机床的抗振能 力 。 模态分析法是凭借振动系统的模态参数来对机床 的动态性能 进行分析 、 预测 、 评价和优化的方法1 I 。 对工作台模态分析时， 不需要考虑其所受的外力， 其他约束 条件不变。D V G 8 5 0加 中心通常丁作转速在 4 0 0 0 ～ 1 6 0 0 0 d mi n ， 设 3把铣刀均匀的安装在夹具上， 计‘ 算频率时将主轴转一周 产生的 3 次冲击考虑进去， 故其1 一 作频率一般在 0 ～ 1 2 0 0 H 。 因 此提取该工作台的前 6阶模态分析数据 ， }j 订 阶模态振型 ， 如 图 7所示。固有频率值， 如表 2 所示 对自由振动而言， 系统受到一次扰动后所获得动能 E为 m 。 2 盯 2 ／ l 2 式 中 一系统质量 ； 尼 一结构同有频率 ； 一最大振幅 、 由式 2 可 知 ， 当外部扰动的能量一定时， 与振幅 成反比， 故通过 提高固有频率可以成比例地减少系统自由振动的幅值[9 1 。 No ． 1 0 0 c t ． 2 0 l 4 机械 设 计 与 制造 l 0 I 表 2模态分析结果 H z T a b 2 Mo d a l A n a l y s i s R e s u l t H z 由于篇幅关系，此处省略了原] 作台和正方形多孑 L 轻质的 振型云图。 正三 角形轻质多孔结构1 作台振型图 篇幅关系， 此处 只给出了部分云图 ， 如图 7所示。一阶振型为T作台在 v 平面 内沿 轴平移； 二阶振型为工作台四个角翘起； 三阶振型为绕 Y 轴两端向下弯曲；五阶振型为T作台一端向上翘并中间部分凹 陷， 另一端向下弯并中问部分凸起。 a 一阶 C - -i 阶 d 五阶 图 7正 三角形轻质多子 L 结 构的部分振 型图 Fi g ． 7 P a r t Mo d e s o f t he Tr i a n g l e Li g h t P o r o u s S t r u c t u r e 4谐响应分析 为 分析正三角形轻质多孑 L 结构1 二 作台在实际干扰激励下 的抗振情况， 根据实际的] I 作情况， 对工作台施加与静力力分析 R ,i n 载的载荷和约束一样， 并在 1 2 0 0 Hz 范围内君越设置 l 0 0 个 频率点。 根据谐响应分析结果绘制工作台在X、 Y、 方向的频率一 振 幅曲线 ， 如图 8所示 。 一6 ．2 4 e - 2 1 l 0 ．3 2 { 5 ．9 1 e 一 - ，3 { 盖1 ． 2 3 e 一 3 ’ {5 ．6 e 一 4 1 ．5 5e 一 - 44 { l O 2 5 0 5 0 0 7 5 0 F r e qu e n c y Hz a X方 向响应曲线图 I 儿 ／ 、 ． 一 ＼ -_， 1『 ___ l 2 5 0 5 0 0 7 5 0 Freq u e n c y 1 h h l ， 方向响应曲线图 e 3 3 ． 8 e -3 24 3 gI 5 1 e - 3 9 ． 5 4 e 4 60 2 e - 4 3 8 e 4 { 2 ．4 e 一 4 I 5l e - 4 9 5 4 e - 5 0 2 5 O 5 0 0 F r e q u e n c y c g方向响应曲线图 图 8正三角形轻质多孑 L 谐响应频率一 振幅曲线图 Fi g ． 8 Ha r mo n i c F r e q u e n c y Amp l i t u d e Cu r v e o f t h e Tr i a n g l e Li g h t W e i g h t Po r o u s 5结论 运用 A N S Y S Wo r k b e n c h 对工作模型进行静、 动态分析可以 看出 轻质多孔结构的机床_丁作台比原来工作台的静力学特性和 抗振特性都有了较大的提高， 同时质量也相对减轻， 说明了轻质 多孔结构的应用可以有效的代替传统的筋板结构设计。 基于轻质 多孔机构的良好的刚度 、 抗振性和质量轻的特点， 在相同条件 作条件、 相同孑 L 边长、 孑 L 壁厚和材料的条件下， 对常用的正方形孔 和正i角形孔进行对比得出 正 角的刚度 、 抗振性更好 ， 同时也 更多的减轻工作台的质量。 又对性能较好的正三角形轻质多4 L f 8 构工作台进行谐响应分析， 分析结果与模态分析一致。 参考文献 [ 1 ] 王飞 跃． 机床的动态特性分析[ J ] _河北工业科技， 2 0 1 1 ， 1 7 4 I I 一 1 4 ． Wa n g F e i - 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