乔文刚，袁亭雪，陈 菁（.内蒙古科技大学，内蒙古包头 0400；.北京科技大学，北京 00083）

基于有限元分析的GSFD6050雕铣机床身结构的优化与分析

乔文刚1，袁亭雪1，陈 菁2
（1.内蒙古科技大学，内蒙古包头 014010；2.北京科技大学，北京 100083）

数控雕铣机床身静刚度直接影响机床的加工精度。以GSFD6050雕铣机床身为例，提出该床身结构两种改进方案，并且对改进后的结构进行有限元分析。静力分析结果表明改进后结构在静刚度方面有所提高，并且改进后床身质量下降31%，实现GSFD6050雕铣机床身的结构优化。

数控雕铣机床身；有限元分析；结构设计

0 前言

床身是机床的重要组成部分，其结构的布局形式在很大程度上决定了机床整机的性能[1]；并且机床的质量主要集中在床身上，故床身对机床生产成本的影响较大[2]。因此，改善床身结构，在不降低其静刚度的前提下，降低其质量，具有现实意义。本文以GSFD6050雕铣机床身为研究对象，运用PROE软件，完成雕铣机床身结构的改进，并且对改进后结构进行有限元分析，以验证改进后结构的合理性。

1 GSFD6050数控铣雕机床身结构的改进

GSFD6050雕铣机原床身结构如图1所示。由图1（a）、（b）可知，床身具有的基本特征包括：排水板、导轨、龙门架安装支座、电机座安装支座、轴承座安装支座、床身底支撑板。其中，床身底支撑板为方形结构，导致床身重量增大，成本增加，故对床身底支撑板进行结构改进。

图1 原床身结构三维图

在对床身的结构进行改进之前，首先对床身进行静力分析，找出其结构薄弱部位，据此制定床身结构改进方案。图2为原床身结构静力分析结果中总变形分布图。

图2 原床身总变形分布图

由图2可知，原床身变形主要集中在床身上导轨处和龙门架支座处，因此，在改善床身结构时，床身底支撑板的布局方式应有利于降低导轨处和龙门架支承座处变形值，同时又能够减少床身质量。基于此原则，本文提出了两种改进方案，具体如下。

（1）方案一是在原方形床身底支撑板的基础上，去掉对刚性要求低的排水板底部的结构，改进为“T”字形床身底支撑板，可以有效支撑床身关键部位，同时减少了床身铸件质量，结构简图如图3（a）、（b）所示。

图3 改进方案一床身结构

（2）方案二是把床身底支撑板分成两部分，分别支撑床身的前端和后端，并在床身中间增添米字型加强筋以保证床身整体刚度[3]。同时，由于雕铣机主要用于小型模具的精加工，工作台运动范围主要在床身中间位置，因此将原倾斜于床身后端的排水板改为倾斜于床身中间，结构简图如图4（a）、（b）所示。

图4 改进方案二床身结构

2 对三种床身结构分别进行有限元分析

为检验床身改善后结构是否合理，必须研究床身的静刚度，故本文利用有限元分析软件Pro/Me⁃chanica对改进前后三种床身结构分别进行静力分析。步骤如下。

（1）床身结构有限元建模

首先，在Pro/E软件中建立三种床身的三维实体模型，并根据圣维南原理，对部分局部特征如倒角（圆）、凸台、螺钉孔等进行了适当的简化[4-5]。目的是为了避免小特征和小结构件在进行有限元划分时，产生大量的有限元单元，加大计算机的计算时间。并且小特征容易产生错误的网格单元，网格质量下降，影响结构的分析精度。简化后的三种床身结构模型如图5所示。

图5 三种床身结构实体模型

（2）定义材料、约束和载荷

1）定义床身材料

床身材料为灰铸铁HT250（各向同性介质均匀），弹性模量E=1.25E11Pa；泊松比γ=0.25；密度ρ=7.3E3kg/m3。定义好材料之后把已定义的材料分配给零件模型，完成对模型材料的设置。

2）定义载荷和约束

雕铣机的床身主要承受龙门架、滑板座、滑板、工作台及工件的重量，其中龙门架、滑板座、滑板的重量约为900 kg，三者对床身的作用力作用在龙门架与床身的接触面上，大小为900× 9.8 N；工作台及工件的重量约为200 kg，对床身的作用力通过工作台与床身线轨滑块的连接转嫁到线轨上，大小为200×9.8 N；底面四个地脚固定床身使其稳定在地基上，添加x、y、z三个方向的全约束。

考虑到工作台在实际加工时会处于不同位置，本文取两处位置进行分析，位置1为床身导轨中间处，位置2为床身导轨右端边缘处。位置1处三床身加载图如图6所示。

图6 位置1处床身加载图

（3）分析结果

由表1可知，三种床身结构的最大应力值均远远小于250 MPa（HT250材料的屈服极限强度），故三种结构均满足强度要求，在此不做具体叙述，只做刚度分析。

三种结构在位置1处时的变形分布图如图7所示。由图7可知，当工作台处于位置1处时，原床身变形最大值为0.014 7 mm，位于床身y向线性导轨副之间的中心位置；方案1床身变形最大值为0.013 1 mm，位于床身排水板边缘位置；方案2床身变形最大值为0.005 7 mm，位于床身龙门架支座边缘位置。

图7 位置1处床身总变形分布图

三种结构在位置2处的变形分布图如图8所示。

图8 位置2处床身总变形图

由图8知，当工作台处于位置2处时，原床身变形最大值为0.013 7 mm，位于床身y向线性导轨副之间中心位置。方案1床身变形最大值为0.015 9 mm，位于床身排水板边缘位置。方案2床身变形最大值为0.005 7 mm，位于床身龙门架支座边缘位置。

现将三种床身结构在位置1和位置2处静力分析结果整理如表1所示。

表1 各床身结构在不同位置变形结果

由本文以上内容可知，三种床身结构的变形分布存在一定差异，但不能确定改善后床身结构是否合理。考虑到床身上刚度要求最高的地方在导轨处[6-9]，导轨的结构精度直接影响加工精度，因此可以通过对比三种床身结构导轨处变形情况，判断改进后床身结构是否合理，方法是查看各个床身导轨在10个不同位置处变形值，取最大变形值，所取10点处变形值如表2所示。

表2 个床身不同位置时导轨变形结果

由表2可知，方案1和方案2床身导轨的变形值均明显小于原床身导轨，尤其是方案1床身，其导轨变形值最小，结合床身总体变形结果，可以断定：两种方案中床身的静刚度较之前床身静刚度均有明显提高，床身结构合理。并且床身质量明显下降，由表1可知，方案1设计的床身的重量由原来的1 367 kg，降低到944 kg，重量降低了31%；方案2设计的床身的重量降低到1 016 kg，降低了25%。综合比较，取方案1床身结构。

3 结论

本文就GSFD6050雕铣机床身结构提出两种改进方案。并且对改进后床身结构进行有限元分析，分析结果表明改进后的结构在强度和静刚度方面均较原床身结构有所提高。重要的是，改进后的床身的质量明显地降低了。

本文通过改进雕铣机床身结构，使床身具有较好的经济效益。

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［2］机床设计手册编写组.机床设计手册：零件设计（下册）［M］.北京：机械工业出版社，1980.

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Structure Design and Analysis of Bed of the GSFD6050 CNC Engraving and Milling Machine Based on Fnite Element Analysis

QIAO Wen-gang，YUAN Ting-xue，CHEN Jing
（1.Inner Mogolia University of Science and Technology，Baotou014010，China；2.Beijing University of Science and Technology Beijing100083，China）

The static stiffness of CNC engraving and milling machine bed，directly affect processing quality of the machine tool．With bed of the GSFD6050 CNC engraving and milling machine as an example，two improved bed schemes are presented which had analyzed by finite element analysis model.The result of static analysis indicate that the static stiffness of improved bed become better，In addition，the structural weight of the improved bed reduces 31%,realizing the structure optimization of bed of the GSFD6050 CNC engraving and milling machin

the bed of the GSFD6050 CNC engraving and milling machine；fnite element analysis；structure design

TG659

A

1009－9492(2014)05－0047－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.05.011

乔文刚，男，1961年生，内蒙古包头人，硕士，副教授。研究领域：液压伺服与数控机床。已发表论文12篇。

(编辑：阮 毅)

2013－11－27