摘要：以CLK5162高速数控锐床的立柱为研究对象，使用SolidWorks软件对其进行实体建模，然后使用ANSYS软件对其进行模态分析，找出其薄弱环节并进行优化，改善了立柱的动态性能。

    0 引言
    当今世界高速数控机床的研制是各个国家在装备制造业竞争中博弈的一个重要方面。随着世界制造业向着高速、高精度、高智能化方向发展，高速数控机床应运而生，成为满足现代制造业特点的主要工具。本文以CLK5162高速数控铣床的立柱作为研究对象，对其进行动态特性研究，检验其能否满足加工精度要求，并根据检验结果尽可能对立柱结构进行设计优化。

    1 立柱的实体建模与模态分析
    CLK5162高速数控铣床主要用于加工各种高精度行腔模具。通过SolidWorks2008软件对机床实体建模，装配如图1所示。对立柱进行三维实体建模如图2所示。

    接着使用ANSYSIO软件对CLK5162高速数控铣床立柱进行模态分析。在立柱模型导入ANSYSIO软件之前，需要对其进行简化，目的是为了提升ANSYS10软件划分网格的质量和速度。所以把功能部件和非承载部件都省略掉。部分非重要尺寸的圆弧过渡简化为直角过渡。
    立柱材料选定为HT250。选用ANSYSIO软件中提供的SOLID45三维实体单元进行有限元分析。取其材料泊松比为0. 27，弹性模量为1. 175×105 MPa，密度为7.8 × 103 kg/m3121。设定立柱螺孔相应节点位置处限制X、Y、Z三个方向的自由度。对立柱进行模态分析时，由于激振力相对来说不大，所以一般取低阶频率。
    立柱第一阶固有频率为422. 51 Hz，最大变形量为0. 1539 mm，变形为上部和横梁接触部分向上抬起。立柱第二阶固有频率为443.63 Hz，最大变形量为0. 1649 mm，变形为立柱上部向下延伸部位向上抬起。立柱第三阶固有频率为816. 28 Hz，最大变形量为0. 214 mm，表现为立柱后背面上部两顶角位置与横梁接触位置发生扭转。立柱第四阶固有频率为1101. 54 Hz，最大变形量为0. 2167 mm，表现为前背面边缘位置向上突起。立柱第五阶固有频率为1449. 1 Hz，其最大变形量为0. 1788 mm，表现为整体绕Z轴扭转。

    2 立柱的优化
    机械设计中，任何设计方案都是可以进行优化的。优化设计的目的是寻找优于原先设计的最优方案。其中的“最优”是设计满足实际的所有要求，并且要求所使用的成本降到最低。使用ANSYSIO软件分析立柱得到其前五阶固有频率和振型图后，下边从立柱的内部筋板结构设计形式入手，改变筋板结构设计形式，以提高立柱的固有频率。
    2.1筋板结构设计形式改进
    根据原立柱内部筋板的设计，在不改变原立柱结构大小尺寸的前提下，改变立柱筋板的厚度，由原来的12 mm变为20 mm。并参考国内外设计资料重新对筋板布置进行了设计。
    通过改变立柱筋板结构设计形式，得到了四种筋板布置类型。其中结构设计改进1型为米字形结构，主要是水平、竖直相间的筋板和对角线交错的筋板两者结合组成。结构设计改进2型是长方形方格结构，是在立柱内部构造一个长方形框，并在长方形框中等分三份。结构设计改进3型是交叉结构，是在改进1型的基础上去掉了横竖相间的筋板布置。结构设计改进4型属于S型结构，在改进2型的基础上去掉了水平布置的筋板，改由对角线单一布置构成S型结构。
    2.2筋板结构设计形式改进后模态分析
    对立柱筋板结构设计形式改进后，采用和原来一样的分析条件，以便与原立柱的筋板设计进行对比，找出相对最优设计形式。使用ANSYSIO软件分析，得到改变立柱筋板厚度和改变立柱筋板结构设计形式的四种方案的前五阶固有频率，如表1所示。

    通过表1可得改进筋板结构设计的四种设计方案里，只有改进2型的前五阶固有频率低于原设计。主要是立柱筋板厚度增加的缘故。其中改进1型的方案立柱前五阶固有频率最高。而原设计通过改进筋板厚度得到的前五阶固有频率和改进1型对比可得，单纯增加立柱筋板的数量不能明显提高立柱的固有频率。而且单纯增加筋板数量会使机床立柱制造成本提高，违背了机床轻量化设计的原则。在满足机床加工要求的前提下，应尽可能减小立柱的质量。
    所以，综上考虑，选择原立柱的筋板结构设计形式。
    2.3改变筋板厚度后模态分析
    确定立柱筋板结构设计形式后，筋板厚度还没有确定。故以原立柱的筋板结构设计形式为前提，取其厚度为10 mm、15 mm、20 mm、25 mm建立立柱有限元模型，来分析不同厚度的筋板对立柱固有频率的影响。不同厚度筋板的立柱前五阶固有频率如表2所示。

    通过表2分析得到，随着筋板厚度的逐步增加，立柱固有频率也不断提高。但是固有频率提高的幅度不同，差异很大。综合比较后，选择厚度为20 mm筋板最合适。虽然再增加筋板厚度还可以提高立柱的固有频率，但是效果不显著。综合考虑，最终选定立柱筋板厚度为20 mm。

    3 结论
    通过对CLK5162高速数控铣床的立柱进行分析，得到立柱前五阶固有频率。通过改进其内部结构设计形式，提高了其固有频率，为后续机床其他部件优化设计提供了理论支持。