車銑復合加工中心是把車削和銑削工藝整合，在一臺加工中心上實現對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-«。斜床身動態性能直接影響機床整機性能，特別是對加工中心整機的抗振性能、加工精度等影響較大。分析斜床身結構的固有頻率和振型，可為斜床身設計改進提供依據，避免因共振造成的經濟損失。對機床床身動態性能研宄的方法應用最多的是模態分析法。通過模態分析結果，判斷振型對加工精度的影響，優化改進斜床身，達到加工中心對加工質量和加工精度的使用要求。將低階固有頻率作為動態分析改進設計的優化目標，提高床身固有頻率，有效提高加工中心穩定性，提高對工件的加工精度，為下一步斜床身車銑復合加工中心的改進設計打下基礎⑷。
1加工中心床身有限元模型的建立
MJ-MOMC/Y配置臥式回輪動力型刀架，加工中心Y軸進給采用虛擬Y軸結構進行平面銑削作業[5]，整機三維模型如圖1所示。
1.1模型簡化
斜床身結構復雜，難以完全按照實物建立有限元模型。在有限元網格劃分前需簡化斜床身.3簡化的原則是：（1)在CAD建模時力求精確，真實地模擬結構的靜動態特性；（2)直線化和平面化處理CAD模型中的小錐度、小曲面[6]。
根據以上原則簡化斜床身的模型：刪除導軌上的所有螺紋孔。車銑復合加工中心整機模型如圖1所示，簡化后斜床身（如圖2所示）結構的力學特性未發生改變，但為后續高效分析計算提供幫助。
U定義單元屬性與網格劃分1.2.1定義單元屬性
由于斜床身結構復雜，是不規則的幾何體，所以選用四面體單元模擬真實結構，經考慮，選擇S0LID187四面體單元m。
1.2.2網格劃分
在網格劃分時，需遵循以下幾點原則：（1)模型結構和實際結構盡可能相同；〔2)根據計算精度和計算規模來選擇合適的單元大小；（3)單元體應盡量勻稱齊整<,
2模態分析
2.1斜床身的村料特性
斜床身材料為灰鑄鐵，具體的材料參數見表1。
表1斜床身材料特性
屈服強度/MPa
密度
/ (kg/m3)
極限抗拉強度/MPa
泊松比
彈性模量/Pa
對數
衰減率
比熱
/ (J/kg • K)
導熱系數/ (W/m • K)
線膨脹系數/ ( 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
基金項目：山東省自主創新及成果轉化專項''高速精密車ft復合虛擬軸加工工藝與裝備開發''。
2.2載荷施加
對于包含預應力效應的模態分析，其固有頻率分析結果比不包含預應力時大，更符合實際情況。所以本文采用包含預應力效應的模態分析，對受力情況轉化計算。
由于牽扯零件眾多，篇幅有限，其分析過程不做介紹，其受力結果直接給出。加工中心接觸構件示意圖如圖3所示。
假定刀架、主軸箱、尾座等部件的材料都為普通碳鋼，將車床模型導入SolideWorks中，得出它們的質量分別為650kg、470kg、240kg。那么，它們對斜床身的作用力即為各自的重力 Gp G2、G3，分別是 6500kg、4700kg、2400kg。這三個力分別施加在它們各自的支撐處。斜床身受到的外力經過計算，分別是GiSGSOON，G2S 4700N，^為2400隊M2*613N.m，M3 為 613N.m[8]。
2.3有限元分析及結果討論
通過自由劃分網格和掃掠的方法將模型劃分，劃分網
格的有限元模型如圖4所示。
對斜床身施加約束條件，斜床身是由底面11個螺栓固定在底座上，分別對床身的11個節點施加x、y、z三個方
向的完全約束[9]。
加工中心工作時，只有少數低階模態起主要作用，所以只分析前六階模態，通過ANSYS Workbench分析求解，分析得到固有頻率和振型，通過模態分析可分析得到各階模態振型（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，且右上部比較明顯
2
468. 79
中部前后兩側沿X軸彎振，兩側比較明顯
3
494. 4
上側中部左右兩邊沿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，穩定性較差。為提高固有頻率，改進其結構尺寸、上導軌和底座厚度。但為保證其加工范圍要求，斜床身主要結構尺寸不變，因此只改進上導軌和底座厚度。具體改進措施為：（1)增加上導軌厚度。改善上導軌結構受力，提高穩定性，保證加工精度；C2)增加底座厚度。增加底座穩定性，減小變形量，增加斜床身穩定性。
改進后底座結構加工工藝難度與改進前相比相差較小。上導軌承擔托板的垂直方向和水平方向載荷，改善了導軌受力狀態，更適合精密元件加工。改進后的斜床身模型如圖11所示。對改進后斜床身模型進行模態分析，通過模態分析可分析得到各階模態振型〔見表3)和振型圖〔如圖12?圖17所示）。
圖11改進后的斜床身模型
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結語
(1) 利用MSYS Workbench有限元軟件對斜床身進行模態分析，分析得到各階模態振型圖和斜床身變形特點，確定影響加工中心動態特性的主要因素為上導軌和底座。
(2) 優化改進斜床身的上導軌和底座，與原結構相比，加工工藝難度相差較小，改善了上導軌的受力狀態，加工中心穩定性和加工精度得到提高。
(3) 對比改進前后斜床身模態分析結果，前三階固有頻率改進后分別提高6. 10%、5. 02%和5. 43%,斜床身結構剛度得到改善，穩定性和加工精度得到提高，為下一步斜床身車銑復合加工中心的改進設計打下基礎
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