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机械2004年第31卷第1期-7-

设计与研究
基于ANSYS的超高速平面磨床结构优化设计

贺兵，黄红武，宓海青，刘翀昊

(湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心，湖南长沙410082)

摘要：提高机床零部件的第一阶固有频率是提高机床刚性、避免共振、降低振幅的有效措施。用有限元方法对超高速平
面磨床的床身和立柱及其改进结构做模态分析，得到能提高第一阶固有频率的各种结构。
关键词：超高速磨床；固有频率；床身；立柱
中图分类号:TH122文献标识码：A文章编号:1006－0316(2004)01－0007－03

BasedonANSYSOptimalDesignforSuper-highSpeedPlaneGrinder
HEBing，HUANGHong-wu，MIHai-qing，LIUChong-hao
（NationEngineeringResearchCenterforHighEfficiencyGrindingHunanuniversity，Changsha410082，China）
Abstract:itiscrucialtoincreasethefirstordernaturalfrequencyofitsmainparts,whichcanimprovestructuralrigidity、avoid
resonanceandreducevibrationlevel.ThemodelsofgrinderbedandcolumnareledintoANSYSformodeanalysis.Andthen
findvariousstructureswhichcanincreasethefirstordernaturalfrequency.
Keywords:super-highspeedgrindingmachine；naturalfrequencies；grinderbed；column

高速与超高速磨削技术是磨削加工技术发展
的一个重要方面，它具有大幅提高磨削效率、延
长砂轮寿命和降低表面粗糙度等优点，并且可以
对硬脆材料实现延性域磨削加工，对高塑性等难
磨材料也有良好的磨削表现[1]。国家高效磨削工
程技术研究中心研制的超高速平面磨床的砂轮线
速度达到了150m/s。这种超高速平面磨床与传统图1150m/s超高速平面磨床平面结构示意图
机床比较，要求具有高刚度、高抗振性，其动态
在实体建模软件pro/E建立床身、立柱等主要
性能要高5~10倍，且工作频带至少高2~3倍。若
部件的三维模型，导入有限元分析软件Ansys，
仍采用普通磨床的结构，一些主要结构部件前几
进行模态分析，得到它们从0~1000Hz的前三阶
阶的固有频率可能会处于工作频率范围之内，将
固有频率（如表1）。
导致磨床发生共振[2][3]。本文用有限元方法对超高
速平面磨床的结构进行模态分析，探讨了立柱和表1各主要零部件的振动特性比较
第一阶振型第二阶振型第三阶振型
床身不同的结构对提高第一阶固有频率的影响，
频率Hz频率Hz频率Hz
为实现超高速磨床的优化改进提供必要的依据。
立绕x轴绕y轴绕z轴
123.43178.31276.22
柱弯曲弯曲扭转
床绕x轴绕y轴绕x轴
1磨床各主要部件的有限元模型的建立和152.44215.50321.61
身弯曲弯曲扭转
模态分析
从表1可见，立柱和床身的第一阶固有频率
超高速平面磨床由床身、立柱、磨头和工作在工作频带0~159.15Hz范围内，因此有必要改变
台等部件组成（如图1），采用电主轴，最高转速立柱和床身的结构来提高它们的第一阶固有频

达10000转/分，最大工作频率为159.15Hz。率。

收稿日期：2003-09-24
作者简介：贺兵（1976-），女，湖南汨罗人，湖南大学机械与汽车工程学院2001级硕士研究生。
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2立柱结构的改进模型及分析从表3可以看出，加翼的方法可提高第一阶
固有频率。加三角形翼比矩形翼的效果好，加两
立柱长470mm，宽305mm，高1000mm，有条比加一条要显著，加两条三角形翼d2型和加
5条水平筋板，1条横向筋板（左右柱内其长度均箱形翼e2型分别比原立柱提高了37.4%和
为40mm），内侧各开3个窗(如图2)。37.9%。
表3立柱的振动特性比较
第一阶频率振型第二阶频率振型

HzHz
原立柱123.43弯曲178.31弯曲
改进a2型149.87弯曲166.51弯曲
改进b2型160.64弯曲165.86弯曲

改进c2型152.02弯曲181.75弯曲
(a)立柱CAD模型(b)立柱有限元模型(c)立柱第一阶振型
改进d2型170.26弯曲190.68弯曲
图2原立柱结构CAD、有限元模型及振型