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随着现代工业的迅速发展，数控车床以其高精度、高质量、高效率等优良加工性能在现代工业生产中使用越来越广泛，而数控车床的床身作为数控车床的关键性基础部件对保证数控车床的加工性能起着至关重要的作用。因此，开展对数控车床床身的动静态特性研究对提高数控车床加工性能大有益处。本文以CK6136数控车床床身为研究对象，采用大型有限元分析软件ANSYSl0.0对其进行静力分析和模态分析，并根据结果对原有结构进行优化，从而提高数控车床的动静态特性，增强其加工性能和降低生产成本。
1 床身的有限元模型建立
有限元分析的最终目的是要还原一个实际工程系统的数学行为特征。因此，在对具体问题进行有限元分析时，首先需要建立针对该问题的有限元模型。建立有限元模型是进行有限元分析的基础，而选择合理的建模方法是建立准确的有限元模型的关键。针对ANSYS软件实体建模功能相对薄弱的缺点，本文采用的建模方法是在三维CAD软件Pro/ENGINEER Wildfire3.0中建立床身结构实体模型，然后利用ANSYS10.0提供的与Pro/E的接口功能，将Pro/E中建立的床身结构实体模型导入到ANSYS中，从而建立床身的有限元模型。CK6136数控车床床身结构为不规则的空间几何模型，床身结构尺寸为2 150mm×380 mm×330mm，材料为HT200，密度为7.8×103kg/m3，弹性模量为110GPa，泊松比为0.26。为了有限元分析的便利，有必要在建立床身有限元模型时对其实体模型进行诸如忽略各处过渡圆角以及床身内部筋板的连接方式为理想焊接形式等方面的简化。图1所示为由Pro/E导入到ANSYS中的数控车床床身实体模型。
图1 由Pro/E导入到ANSYS中的数控车床床身实体模型
本文选用ANSYS10.0提供的SOLID92模块进行网格划分，最后得到如图2所示的床身有限元模型。
图2 数控车床床身有限兀模型
2 数控车床结构静力分析
根据实际工况分析，对床身施加约束和载荷，经求解和后处理，具体分析如下：
1)精度分析。从图3所示的床身单元应力偏差SDSG分布云图可知，大部分区域的应力偏差SDSG值在0～4.869MPa之间，局部区域的单元应力偏差SDSG值在19.475MPa左右，说明床身导轨的网格划分密度良好，能保证计算结果具有较高的精度。但从分布图看出局部出现应力偏差值高达43.82MPa，这是由于床身与床鞍联接处存在尖角导致应力集中现象。这种应力集中是由于几何构造或载荷引起弹性理论计算应力值较大，它不会影响整个结构的分析。
图3 床身单元应力偏差SDSG分布云图
2)应力分析。从图4床身节点等效应力Von Mises分布云图可知，床身大部分区域的等效应力Von Mises值在0～2.475MPa之间，最大值为22.276MPa，位置在床身与底座的螺钉连接处，但此处的应力值远低于材料的强度极限，其应力集中不会影响床身的刚度。床身大部分安全系数N在10以上，其设计的安全系数较大，从应力分析角度看，材料抵抗破坏的能力还是有很大潜力的。综合评价：床身的设计趋于保守，能在危险工况下安全工作，而且具有较大的优化空间，可通过结构优化来合理而又经济的使用材料。
图4 床身节点等效应力Von Mises分布云图
3)刚度分析。从图5床身结构X向变形分布图，图6床身结构y向变形分布图以及图7床身结构Z向变形分布图可知，床身导轨结构大部分区域的总变形Traslation USUM最大值为0.006077mm，位于床身导轨中间处，3个方向的变形Traslation USUM值分布不均匀。由于在建模时对床身表面及丝杆螺孑L施加了约束，在床身表面附近的变形值较小。结构在3个方向的最大位移分别为0.002087mm、0.001022mm、0.005868mm，说明床身结构变形较小，能在最大承载条件下保证加工产品有较高的精度，结构在3个方向的位移有一定的差距，说明在3个方向刚度分布有些不均匀，可以通过调整结构来改进刚度的合理分布。
图5 床身结构X向变形分布图 图6 床身结构X向变形分布图
图7 床身结构X向变形分布图
3 床身结构的模态分析
模态分析用于确定设计中的结构或机器常见的振动特性——固有频率和振型(模态形状)。通过计算CK6136型数控车床床身的固有频率和振型，来分析床身的动态特性及结构动刚度的薄弱环节，其分析结果可作为对床身结构进行优化设计和结构改进的理论依据。利用ANSYS10.0软件提供的Subspace法对床身的结构进行模态分析，并提取前5阶振型。其固有频率如表1所示，床身各阶振型图如图8～图12所示，现对结果分析如下：
表1 床身结构的前5阶固有频率和振型
从床身各阶振型图中可以看出，床身的一、二阶振型为整体振型，整体刚度较好，从第三阶开始出现了局部振型，尤其是床身上表面出现了弯振以及后侧面的弯振，可以看出床身的上面及床身后侧面的局部刚度还比较薄弱，有必要对上面四周结构进行改进以提高其局部刚度。从床身导轨前五阶固有频率值可以看出，床身的同有频率在237～647Hz之间，该振动频率范同均比主轴箱的同有频率低，说明主轴箱的同转振动不会引起床身的共振。
图8 床身第一阶模态振型图 图9 床身第一阶模态振型图
图10 床身第一阶模态振型图 图11 床身第一阶模态振型图
图12 床身第一阶模态振型图
4 床身的结构优化
依据床身有限元结构分析的结果，可知原床身结构存在局部结构不合理和原设计太保守造成床身重量过大等缺点。现进行如下优化，优化结果如图13所示。
图13优化后的床身结构实体模型
1)为减小中问横梁与床头、床尾板的厚度差，将原床身中间四方型整体式横梁结构改成T字型筋板结构；
2)通过减少床身与床头箱接触的凹槽的深度和增加接触处的过渡圆角来增强其刚度；
3)在原有结构的基础上，减小床尾的板厚，将该处的厚度由原来的100mm减至15mm，将整体式尾座垫板结构改成壳型结构；
4)将床头处垫板厚度由50mm减少至15mm，将整体式尾座垫板结构改成壳型结构；
5)将床身两侧板的厚度由原尺寸50mm减少至15mm，将整体式结构改成壳型结构。
5 结束语
本文根据对CK6136型数控车床床身进行包括静力分析和模态分析在内的有限元结构分析，找到原结构设计的不合理之处，并根据有限元分析结果，对床身进行结构优化，确定合理的床身结构。采用有限元结构分析方法可以为机床设计与制造提供有力的理论依据，使设计者在设计阶段最大可能性地评估与预测机床的动静态特性，从而优选设计方案。
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