摘 要：横梁是龙门加工中心机械结构中关键的部件，其静动态特性直接影响龙门加工中心的性能以及加工质量。分析了龙门加工中心结构的特点，运用有限元分析法对横梁结构静动态特性进行了分析，根据分析结果，优化改进设计了该龙门加工中心横梁结构，以能进一步提高其加工质量。
关键词：加工中心；横梁；结构；优化设计
近几年，随着我国航空航天、汽车、铁路、机床行业的不断发展，龙门加工中心机床以加工质量高、跨度大、刚度高以及效率高等诸多优点已经成为制造行业中大型零件加工的核心。而龙门加工中心性能的好坏将会直接影响零件加工的质量以及加工的精度。龙门加工中心横梁部件的静态特性和动态特性是影响加工中心性能的主要因素[1]。因此，对现有的横梁结构作一些优化改进，以达到龙门加工中心对横梁的要求成为当前亟待解决的问题。本文运用有限元分析法对横梁结构进行了动静态进行分析，最终得到了横梁结构的优化设计改进方案。
1 、龙门加工中心以及横梁部件的结构特点
龙门加工中心主要由工作台、主轴箱以及冷却箱、横梁、滑枕以及滑座等零部件组成，整体结构图如图 1 所示。此加工中心主要由双墙式侧梁结构支撑横梁。其中横梁部件主要包括主轴箱、滑鞍以及主轴和横梁等零部件，其主要沿着双墙式侧梁上的导轨实现进给运动，进给运动方向主要为 X 轴运动方向。横梁部件还承载着滑枕以及滑座等部件，其中滑枕主要在滑座上进行上下运动，而滑座在横梁上主要沿着导轨进行左右运动。在龙门加工中心作业过程中，当滑枕运行到最低点，滑座处于横梁的中间位置时，横梁的弯曲变形能力将达到最大，从而对横梁部件形成集中载荷，导致横梁产生最大的弯曲变形。另外，为了保证快速准确的加工，在作业时，横梁部件会受到自身重力以及加工过程中产生的加减速惯性力和复杂切屑力的作用，横梁部件成为较为薄弱的环节。因此，有学者提出[2]，横梁作为龙门加工中心最为关键的部位，只有保持良好的动态性能和静态性能，才能够实现大重型工件的加工和保证其达到高速运转的要求。
图 1 龙门加工中心整体结构简化图
2 、基于有限元分析法的横梁结构的静动态分析
本文重点研究龙门加工中心横梁部件最大弯曲变形时的状态。通过运用三维软件 Soid Works 进行构建实体模型，在实体模型构建的过程中，为了保证运算效率以及运算精度，对横梁相关组件进行的简化，最后通过采用有限元分析软件对横梁结构的动静态特性作了详细分析。
2.1 横梁模型的构建
基于 So id Works 构建的实体模型，其中横梁、滑座等为铸造件，设置材料为 HT250，材料属性设置为：密度 7 200 kg/m3，泊松比 0.27，弹性模量 1.3×105 MPa.将装配好的横梁结构实体模型导入 ANSYSWorkbench 有限元分析软件中，然后通过运用有限元分析元件对横梁结构进行网络划分。由于网格的划分好坏将会直接影响有限元分析软件计算的速度和精确度[3]，基于此本研究主要通过运用 Solid45 单元结构，其中单元结构设定在 80mm，最后通过采用自由网格划分法，最终得到横梁部件的有限元模型，如图 2 所示。
其中自由网格划分属于自动化程度最高的网格划分技术之一，其不仅可在面上自动生成三角形或四边形的网格，同时在体上也能自动生成四面体网格，既省时间又省力[4]。另外在网格划分的过程，为了保证运算的精度和效率，仅仅保留了横梁和立柱及其相关零部件，以简化模型。同时还应将三维型中的倒角、倒圆、凸台等小特征忽略掉，并采用
平面化和直线化对三维模型中的小曲率曲面和小锥度进行处理。
图 2 横梁部件的有限元模型
2.2 约束与载荷分析
由于横梁与立柱之间主要采用螺栓连接，对横梁的约束主要是通过对横梁上与固定螺栓位置相对应的螺纹孔的自由度作为条件，也就是通过固定螺栓相对应的螺纹孔的自由度达到对横梁的约束。同时还应在横梁弯曲变形最大的位置处进行施加载荷，最后根据力学模型计算出载荷力所转化成的压力，并作用在工作面上，施加自身重力。另外，横梁部
件在作业的过程中，其所承受的力包括自身重力、切屑加工过程中的切屑力、固定部件和移动部件相对运动过程的摩擦力、惯性力、振动干扰力以及各部件加工中所产生的热应力等。为了方便计算分析，在分析的过程中，将横梁组件各接触变形看做刚性接触，通过运用布尔运算[5]将横梁各组件之间作为一个整体。而将横梁组件的自身重力看作为施加的载荷；切屑力只考虑主轴系统 X 向切屑力；最后通过进行有限元分析。
2.3 结果分析
龙门加工中心静力学分析的目的主要是为了对加工中心静刚度的确定。本研究所分析的龙门加工中心的横梁受力部件主要为简支梁支承形式，而导致横梁的变形的关键因素为切屑力和自身重力，因此在横梁结构的静力学分析的过程中，不仅需要考虑横梁自身重力产生的静态变形，同时横梁结构上的滑块、滑枕在运动的过程中也容易造成横梁弯曲
变形。由于横梁结构受到多方面的载荷，因此在受力分析中通过运用有限元分析软件可以得到横梁结构的总位移变形量以及各组件的变形量 其中分析结果如下表 1 所示。
通过对横梁结构的受力情况进行分析得知，横梁总位移变形量占 40.34%，而横梁结构的变形主要为弯曲变形和扭转变形，横梁结构的变形不仅会导致主轴发生位移偏差，同时对龙门加工中心的加工质量和加工精度也将会带来极大的影响。同时通过采用有限元模型对横梁模态分析的结果进一步研究显示，横梁结构主要模态频率以及振动类型主要如下表 2 所示。
通过上述结果可以得知，横梁 1——6 阶的频率中，1 阶最低，说明此阶段为横梁结构动态性能最差的一个环节，若要有效地提高横梁组件的动态性能，必须对横梁结构进行优化改进。
3 、横梁结构改进设计
3.1 横梁结构的改进方案
通过上面的对于横梁的静动态分析可知，横梁为最薄弱的环节，需要加强以适应整机的高速运转，横梁一阶振动频率比较低，振动主要为局部的加强筋振动，说明加强筋比较薄弱，需要进一步的加强。为了保证龙门加工中心横梁的特点、操作的简单化以及改进成本的最小化和改进效果的最大化，我们在对横梁结构进行优化改进中，仅仅对横梁结构内
部的筋板布置情况以及受力情况进行设计，通过将横梁内部筋板有原来十字型改为 V 字型结果，而对于横梁结构的外部结构尺寸未作相应的调整。具体的改进方案为：保持板筋的厚度 20 mm 不变，将原来的十字形板筋结构改为 V 形结构，改进后的质量由solid works 分析得到结果比原来的质量少了 20 kg，改进后的质量为 4730 kg. 其中改进前后的横梁结构如下图 3 和图 4 所示。
图 3 改进前横梁筋板布置图
图 4 改进后横梁筋板布置图
3.2 改进前后的静动态性能的对比
对于改进后的横梁组件利用有限元分析软件进行静动态分析。结果显示：改进后横梁结构 1 阶频率从原来的 48.1 Hz 提高到了 58.2 Hz，相比改进前提高了大约有 17.4%，而最大变形量也比改进前减少了大约 7.5%.由以上的结果可知，改进后横梁组件的频率得到了很大的提高，利用有限元分析软件分析的结果改进后的横梁组件达到了预期的效果。
4 、结束语
本文利用有限元分析软件对横梁结构的静动态分析，从而找到了横梁组件中的最薄弱的部分——横梁。横梁在整个横梁组件中的变形量最大，且一阶频率较低，针对横梁现有的这两个问题，本文提出了改进方案，即把横梁内部板筋的结构从十字形改为V 形，保持原来的尺寸不变。改进后的横梁组件各项测试指标相比之前都更加的合理，更加的理想化，能够满足龙门加工的高速、高精度的要求。本文中横梁结构的设计优化方案是根据实际的理论分析得到的，利用软件工具得到了准确的数据，为横梁结构优化设计提供了理论依据。对于一些与横梁类似的部件的结构设计优化具有借鉴意义，由于该方案的操作便捷具有可实施性，在龙门加工中心机床的优化中有实际的应用意义。
来源：中传重型机床有限公司 作者：范有光
