車銑復(fù)合加工中心是把車削和銑削工藝整合，在一臺(tái)加工中心上實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的車削和銑削加工，這種整合比分別車削和銑削的加工精度更高[1-«。斜床身動(dòng)態(tài)性能直接影響機(jī)床整機(jī)性能，特別是對(duì)加工中心整機(jī)的抗振性能、加工精度等影響較大。分析斜床身結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，可為斜床身設(shè)計(jì)改進(jìn)提供依據(jù)，避免因共振造成的經(jīng)濟(jì)損失。對(duì)機(jī)床床身動(dòng)態(tài)性能研宄的方法應(yīng)用最多的是模態(tài)分析法。通過模態(tài)分析結(jié)果，判斷振型對(duì)加工精度的影響，優(yōu)化改進(jìn)斜床身，達(dá)到加工中心對(duì)加工質(zhì)量和加工精度的使用要求。將低階固有頻率作為動(dòng)態(tài)分析改進(jìn)設(shè)計(jì)的優(yōu)化目標(biāo)，提高床身固有頻率，有效提高加工中心穩(wěn)定性，提高對(duì)工件的加工精度，為下一步斜床身車銑復(fù)合加工中心的改進(jìn)設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)⑷。
1加工中心床身有限元模型的建立
MJ-MOMC/Y配置臥式回輪動(dòng)力型刀架，加工中心Y軸進(jìn)給采用虛擬Y軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行平面銑削作業(yè)[5]，整機(jī)三維模型如圖1所示。
1.1模型簡(jiǎn)化
斜床身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以完全按照實(shí)物建立有限元模型。在有限元網(wǎng)格劃分前需簡(jiǎn)化斜床身.3簡(jiǎn)化的原則是：（1)在CAD建模時(shí)力求精確，真實(shí)地模擬結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)態(tài)特性；（2)直線化和平面化處理CAD模型中的小錐度、小曲面[6]。
根據(jù)以上原則簡(jiǎn)化斜床身的模型：刪除導(dǎo)軌上的所有螺紋孔。車銑復(fù)合加工中心整機(jī)模型如圖1所示，簡(jiǎn)化后斜床身（如圖2所示）結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性未發(fā)生改變，但為后續(xù)高效分析計(jì)算提供幫助。
U定義單元屬性與網(wǎng)格劃分1.2.1定義單元屬性
由于斜床身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是不規(guī)則的幾何體，所以選用四面體單元模擬真實(shí)結(jié)構(gòu)，經(jīng)考慮，選擇S0LID187四面體單元m。
1.2.2網(wǎng)格劃分
在網(wǎng)格劃分時(shí)，需遵循以下幾點(diǎn)原則：（1)模型結(jié)構(gòu)和實(shí)際結(jié)構(gòu)盡可能相同；〔2)根據(jù)計(jì)算精度和計(jì)算規(guī)模來選擇合適的單元大小；（3)單元體應(yīng)盡量勻稱齊整<,
2模態(tài)分析
2.1斜床身的村料特性
斜床身材料為灰鑄鐵，具體的材料參數(shù)見表1。
表1斜床身材料特性
屈服強(qiáng)度/MPa
密度
/ (kg/m3)
極限抗拉強(qiáng)度/MPa
泊松比
彈性模量/Pa
對(duì)數(shù)
衰減率
比熱
/ (J/kg • K)
導(dǎo)熱系數(shù)/ (W/m • K)
線膨脹系數(shù)/ ( u m/m • K)
250.0
7250
0. 25
1. 35X l〇n
0.004 ?0.009
0. 1 氺 4. 19*103
5. 0
11. 5
基金項(xiàng)目：山東省自主創(chuàng)新及成果轉(zhuǎn)化專項(xiàng)''高速精密車ft復(fù)合虛擬軸加工工藝與裝備開發(fā)''。
2.2載荷施加
對(duì)于包含預(yù)應(yīng)力效應(yīng)的模態(tài)分析，其固有頻率分析結(jié)果比不包含預(yù)應(yīng)力時(shí)大，更符合實(shí)際情況。所以本文采用包含預(yù)應(yīng)力效應(yīng)的模態(tài)分析，對(duì)受力情況轉(zhuǎn)化計(jì)算。
由于牽扯零件眾多，篇幅有限，其分析過程不做介紹，其受力結(jié)果直接給出。加工中心接觸構(gòu)件示意圖如圖3所示。
假定刀架、主軸箱、尾座等部件的材料都為普通碳鋼，將車床模型導(dǎo)入SolideWorks中，得出它們的質(zhì)量分別為650kg、470kg、240kg。那么，它們對(duì)斜床身的作用力即為各自的重力 Gp G2、G3，分別是 6500kg、4700kg、2400kg。這三個(gè)力分別施加在它們各自的支撐處。斜床身受到的外力經(jīng)過計(jì)算，分別是GiSGSOON，G2S 4700N，^為2400隊(duì)M2*613N.m，M3 為 613N.m[8]。
2.3有限元分析及結(jié)果討論
通過自由劃分網(wǎng)格和掃掠的方法將模型劃分，劃分網(wǎng)
格的有限元模型如圖4所示。
對(duì)斜床身施加約束條件，斜床身是由底面11個(gè)螺栓固定在底座上，分別對(duì)床身的11個(gè)節(jié)點(diǎn)施加x、y、z三個(gè)方
向的完全約束[9]。
加工中心工作時(shí)，只有少數(shù)低階模態(tài)起主要作用，所以只分析前六階模態(tài)，通過ANSYS Workbench分析求解，分析得到固有頻率和振型，通過模態(tài)分析可分析得到各階模態(tài)振型（見表2)和振型圖（如圖5?圖10所示）。
表2斜床身前六階固有頻率及振型描述
階次
固有頻率/Hz
振型描述
1
340. 95
整體繞X軸沿z軸向前后擺動(dòng)，且右上部比較明顯
2
468. 79
中部前后兩側(cè)沿X軸彎振，兩側(cè)比較明顯
3
494. 4
上側(cè)中部左右兩邊沿X軸凹凸振，
且右上部比較明顯
4
555. 88
中部左右兩邊沿X軸彎振，且中部比較明顯
5
688. 29
中部左右兩邊沿Z軸凹凸振
6
699. 85
整體沿Z軸擺振且右上部比較明顯
量較大，兩側(cè)變形量較小；分析固有頻率可知，前六階固有頻率較低，因此單位剛度較低，穩(wěn)定性較差。為提高固有頻率，改進(jìn)其結(jié)構(gòu)尺寸、上導(dǎo)軌和底座厚度。但為保證其加工范圍要求，斜床身主要結(jié)構(gòu)尺寸不變，因此只改進(jìn)上導(dǎo)軌和底座厚度。具體改進(jìn)措施為：（1)增加上導(dǎo)軌厚度。改善上導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)受力，提高穩(wěn)定性，保證加工精度；C2)增加底座厚度。增加底座穩(wěn)定性，減小變形量，增加斜床身穩(wěn)定性。
改進(jìn)后底座結(jié)構(gòu)加工工藝難度與改進(jìn)前相比相差較小。上導(dǎo)軌承擔(dān)托板的垂直方向和水平方向載荷，改善了導(dǎo)軌受力狀態(tài)，更適合精密元件加工。改進(jìn)后的斜床身模型如圖11所示。對(duì)改進(jìn)后斜床身模型進(jìn)行模態(tài)分析，通過模態(tài)分析可分析得到各階模態(tài)振型〔見表3)和振型圖〔如圖12?圖17所示）。
圖11改進(jìn)后的斜床身模型
表3斜f
艮身前六階固有頻率及振型描述
365. 17
497.03
526. 2
上側(cè)中部左右兩邊沿X軸凹凸振，且右上部比較明顯
590.36
724. 77
754. 75
4結(jié)語
(1) 利用MSYS Workbench有限元軟件對(duì)斜床身進(jìn)行模態(tài)分析，分析得到各階模態(tài)振型圖和斜床身變形特點(diǎn)，確定影響加工中心動(dòng)態(tài)特性的主要因素為上導(dǎo)軌和底座。
(2) 優(yōu)化改進(jìn)斜床身的上導(dǎo)軌和底座，與原結(jié)構(gòu)相比，加工工藝難度相差較小，改善了上導(dǎo)軌的受力狀態(tài)，加工中心穩(wěn)定性和加工精度得到提高。
(3) 對(duì)比改進(jìn)前后斜床身模態(tài)分析結(jié)果，前三階固有頻率改進(jìn)后分別提高6. 10%、5. 02%和5. 43%,斜床身結(jié)構(gòu)剛度得到改善，穩(wěn)定性和加工精度得到提高，為下一步斜床身車銑復(fù)合加工中心的改進(jìn)設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)
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