基于有限元分析的现场铣床横梁结构优化

     现场铣床是用于石化装置的现场加工设备。为了适应现场的加工环境，要求现场铣床在满足性能、精度等条件下，其质量和体积尽可能最小。铣床由于横梁部件刚度不足在加工中工件表面产生波纹状刀痕，影响了加工精度和表面质量。本文借助CosmosWorks有限元软件，建立铣床有限元模型，对主要移动部件进行静、动态性能分析，提出对铣床结构合理的改进方法。图1为现场铣床的结构示意图。

     1 有限元模型的建立

     采川建立现场铣床的三维实体模型主轴箱的重力及悬臂产生的扭矩M直接作用于横梁，使得横梁扭转变形(见图2)，所以横梁为现场铣床的关键部件，它的刚度直接影响加工精度，因此把横梁作为主要分析的对象。图3为现场铣床横梁的实体模型。

     2横梁原结构的有限元分析

     2．1模型简化

     横梁为钢板焊接结构，闪此各个焊点均作为模型的刚性节点，将主轴箱简化为和实际结构基本重量一致的箱形结构，考虑到主轴箱与滑板的接触变形远小于横梁的变形，所以滑板与主轴箱的接触面定义为刚性接触。

     2．2划分网格

     对横梁的实体模型导人CosmosWorks有限元软件中，建立有限元计算模型，采用实体单元划分网格，单元数目为17256，节点数目为9352，自由度数目为97659。

     2．3定义约束和施加载荷

     横梁两端通过螺钉固定在滑座上，在有限元模型中，把横粱的边界约束简化为与同定螺栓位置相对应的节点的各个方向的自由度，即周定与螺栓位置相对应节点的各个自由度来实现对横梁的约束，横梁受力为主轴箱的重力和铣削力，横梁的最大变形量发生在主轴箱运行到横梁中间位置时：图4为划分网格后对横梁和滑板施加载荷约束后的模型图，通过求解，横梁的最大变形量为0．1547mm，实测加工时为(0．15-0．20 mm)左右，分析结果与实际加工的误差基本一致，远大于工件0．06mm的平面度要求。图5为原结构位移云图。对机床进行模态分析，可以明显表现出机床动态特性为图6、7的第一、二阶振型图。表l为前五阶的固有频率和振型：通过分析可知第一阶振型中横梁在外力激励下产生较大幅度的变形，在加工过程中使铣刀的定位精度变差，严重影响了工件的加工精度。因此要对横梁的结构进行改进。