CA6140机床床身结构设计与优化.docx
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CA6140机床床身结构设计与优化
CA6140机床床身结构设计与优化
机床床身的结构性能对整机特性影响很大，关系到整机的加工精度和零件的加工质量，以及整机的运
行稳定性与工作寿命。
目前，对普通车床床身的设计缺乏有效的理论依据，床身的设计不尽合理，结构设计上存在不少缺陷。
针对这些因素，有必要进行以减重为目的的床身结构优化。
CA6140车床是普通车床中的主流车床之一，因此对该型号车床的床身进行优化设计有重要的实际意义。
本文利用三维建模软件UG建立床身的简化模型，导入ANSYS中进行模态分析，求得其6阶固有频率，为以防止共振为目的的结构优化提供方向和依据。
以床身原结构为参考，对其腔体数量、肋板厚度及形状进行设计，得到4种优化方案，逐一导入ANSYS中进行分析，求得各方案质量、固有频率、最大振幅以及振型图等。
对各优化后的方案作对比分析，综合考虑刚度、固有频率、质量、振幅与噪声等影响，选择最优方案。
1、车床床身三维模型的建立
车床零部件较多，其中对整机结构性能影响较大的零部件主要有床身、主轴箱、溜板箱、尾架等，因
此可以对CA6140车床模型进行简化。
根据CA6140实体建立的床身UG模型如图1所示。
车床模
型总体长1810mm，宽240mm，高397mm。
图1床身UG模型
2、床身结构的有限元模态分析
模态是结构的固有振动属性，每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和振型，模态分析在结构动态设计中不可缺少。
固有频率和振型是机械零部件承受动态载荷时结构设计中的重要参数，为了有效避
免结构在使用中因共振等因素造成的影响，对床身进行模态分析，从而确定机床结构的模态频率、阻尼比和振型，分析结果可作为结构优化设计和结构改进的理论依据。
将UG建立的三维实体模型导入ANSYS。
设置床身材料为HT300，密度为7850kg/m3，泊松比卩
=0.3,弹性模量E=200GPa，压缩屈服强度为250MPa。
在2个床腿处施加固定约束，以约束全部自由度。
网格可划分为1〜10个精度等级，选6级精度对
床身模型进行网格划分，共划分岀149705个节点，89260个单元，如图2所示。
在ANSYS中定义自由模态分析阶数为6阶进行有限元分析。
求解得到床身前6阶刚体模态振型如图3所示。
床身结构的前6阶固有频率和振型见表1。
图2网格划分模型
i.-Bi-叫上hi^an"Mt-
■H-0・,
■-■I
acj"一
■・*
*-Pl'niq
：
1XOI.
（m床身第I阶模态
f£4¥'c311.-■
（b）床身第2阶模态
（c）床身第3阶模态
（小床身第斗阶模态
（釘床身第5阶棋态
⑴床身第6阶模态
图3床身前6阶模态振型
阶数
频率/Hz
振幅/mill
振型
1
14.OtIS
0.1266
绕）轴方向摆振
12230
（I.08S9
绕/轴方向振动
3
20.（）62
（h1270
局部沿\方向振动
4
2丄634
（k1051
绕\方向振动
5
26.841
0.129I
绕）轴方向振动
6
27.394
（K1752
绕7轴方向振动
表1CA6140车床床身模态分析
3、床身结构优化方案及对比
3.1优化方案
对CA6140车床床身进行以减重为目的的床身结构优化设计，保证减重后床身的静刚度不变，固有频率不降低。
通过研究CA6140的总装图，明确与其他零件的装配方式，以及装配过程中可能岀现的干涉、排屑、润滑等工作要求，提出优化方案，各方案模型见图4。
方案1在原有结构的基础上，增加床身肋板数量和腔体数量。
方案2在原有结构的基础上，增加肋板厚度。
方案3在方案1基础上，改筋板结构为交叉网状结构。
方案4在方案1基础上，改肋板结构为V字型。
对方案1进行模态分析，将其三维模型导入ANSYS中，经求解得6阶振型，如图5所示。
根据方案
（e）方案3
（t>）方実2
图4改进后模型
（町床身第1阶模态
（b）床身第2阶模态
（c）廉身第3阶模态
（d）床身第4阶模态
代）床身第5阶模态
⑴床身第6阶模态
阶数
频率/Hz
振幅/nun
振型
1阶
10.230
0.US6
绕1轴方向摆振
2阶
0.0890
绕W/.面上摆振
3阶
19.475
（L1213
局部沿）方向振动
4阶
22.59（）
（k1656
绕面上摆振
5阶
23.563
（h1052
绕、轴方向摆振
6阶
24.720
（k1522
绕｝轴方向摆振
表2方案1模态分析
对方案2进行模态分析，将其三维模型导入ANSYS中，经求解得6阶振型，如图6所示。
各阶固有
频率、振幅等数据见表3
床身第1阶模态
（b）床身第2阶模态
（c）床身第3阶模态（d）床身第斗阶模态
心床身第5阶模态⑴庆身第6阶模态
阶数
频率/缶
振幅/mm
振型
1阶
13.125
0.1138
绕［轴方向摆振
2阶
IS.425
（L（）861
沿\方向振动
3阶
19.607
（）.1282
在面上振动
4阶
22.906
0.（）976
沿.Y方向摆振
5阶
24.782
（k1692
绕/轴方向扭振
6阶
2&492
（k1281
在MW面上摆振
表3方案2模态分析
对方案3进行模态分析，将其三维模型导入ANSYS中，经求解得6阶振型，如图7所示。
各阶固有频率、振幅等数据见表4。
对方案4进行模态分析，将其三维模型导ANSYS中，经求解得6阶振型如图8所示。
各阶固有频率、振幅等数据见表5。
3.2各方案对比分析
对优化前后的床身模态进行对比分析，由表6中数据及表7中固有频率/质量比值可知:
4种优化方案
中除方案1固有频率略低外，其余各阶固有频率均有所提高，质量都有降低，振幅也有所减少。
方案
1由于增加了腔体的数量，质量上有明显降低，刚度却略显不足，且考虑到其3阶固有频率19.475Hz与II轴回转振动频率19.52Hz很接近，易发生共振，故此方案舍弃。
方案2基本实现了优化的目
的，减轻了床身质量，增加了床身刚度，但其1阶固有频率13.125Hz与I轴回转振动频率13.02Hz相接近，其3阶固有频率19.607Hz与II轴回转振动频率19.52Hz相接近，较易发生共振。
方案3较好地实现了床身的优化，质量减轻，固有频率有较大提高，有效避开了车床的回转振动频率及啮
合振动频率，不易发生共振。
方案4也很好地满足了要求，但其1阶固有频率12.994Hz与I轴回
转振动频率13.02Hz很接近，易发生共振
共E™>1an
（a）床身第1炸模态（b）床身第2阶模态
■:
吨祯
（c〕床身第3阶模态
（d）床身第4阶模态
（可床身第5阶模态
⑴床身策&阶模态
阶数
频率/Hz
振幅/mm
振型
1阶
13.426
0.1099
绕）轴方向摆振
2阶
1&505
4（）X78
在\（必面上振动
3阶
19,632
0.12S5
局部绕1轴振动
4卩介
22.987
0.097（）
沿\方向摆振
5阶
24.460
0,169S
绕/轴方向扭振
6阶
3（k576
（L1265
在\（必面上摆振
表4方案3模态分析
阶数
频率/Hz
振幅/mm
振型
1阶
12.994
（11073
绕）轴方向摆振
2阶
IS.391
00852
在102面上振动
3阶
19.64
01287
局部沿\轴振动
4阶
22.867
0.（）982
绕）方向摆振
5阶
24.348
（X1669
在面上扭振
6阶
3L587
（X1292
在\（）z面上摆振
表5方案4模态分析
心）床身第］阶模态（b）床釦第2阶模态
（e）床身第3阶模态（d）床身第4阶模态
（e）床身第5阶模态⑴床身第6阶模态
图8方案4的前6阶模态振型
项目
原方案
方案1
方案2
方案3
方案4
I阶固有频率/出
14.008
KL230
13.125
13.426
12.994
2阶固有频率/山
19-230
18.856
18.425
18.505
1K391
3阶固有频率/出
2（1062
19.475
19,607
19.632
19.M
4阶固有频率/Hz
24.634
22,590
2=906
22.987
22.867
5阶固有频率/山
26.84]
23.563
24782
24,460
24.348
6阶固有频率
27.394
24.720
3（1576
3L587
质量丿k呂
496/70
463.11
457.56
453.71
454.89
表6优化前后各阶固有频率及质量对比
阶数
原方案
方案1
方案2
方案3
方案4
1阶
（L0282
0.0220
（10287
0.0296
0.0286
2阶
0.0387
0.（冲）7
0（M03
0（M08
0.{MO4
3阶
0JU04
（k（）420
（1（）429
（L233
0JU32
4阶
04496
0.（）488
（10?
00
0.05（）7
0・05（）3
5阶
05）540
山（）509
OJI542
（L0540
（）.0535
&阶
0.0551
0.0534
0（）623
0,0674
0.0694
表7各方案固有频率质量比
4、结论
综上分析，方案3在减轻床身总质量的同时，提高了系统刚度，降低了振动与噪声，有效避开了传动轴回转振动频率和齿轮啮合振动频率，使系统更安全、可靠。
本文针对CA6140型号车床的结构优化设计，可为同类机床的研发设计提供理论参考。
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