精密臥式立柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計論文

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1設(shè)計參數(shù)靈敏度分析

由于企業(yè)現(xiàn)有立柱整體結(jié)構(gòu)已趨于成熟，考慮大到研發(fā)周期和成本等諸多因素，本文以立柱的壁厚、筋板高度以及筋板厚度作為一組設(shè)計變量，利用靈敏度法分析各結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對立柱動態(tài)性能的影響。

1.1壁厚對立柱動態(tài)性能的影響

以立柱壁厚為設(shè)計變量，當其為20mm、22.5mm、25mm、27.5mm和30mm時可以看出，增加立柱壁厚對立柱固有頻率提高有較為明顯的作用，可以在現(xiàn)有基礎(chǔ)之上適當增加壁厚。

1.2筋板高度對立柱動態(tài)性能的影響

以立柱筋板高度為設(shè)計變量，當其為50mm、60mm、65mm、70mm和75mm時，可以看出，隨著筋高的增加立柱前2階固有頻率呈下降趨勢。故從提高固有頻率的角度來看，筋板高度宜小些。但是，筋板越高結(jié)構(gòu)的抗扭轉(zhuǎn)能力越強，所以要綜合考慮兩個方面的影響。

1.3筋板厚度對立柱動態(tài)性能的影響

以立柱筋板厚度為設(shè)計變量，當其為16mm、18mm、20mm、22mm和24mm時，可以看出，筋板厚度對立柱的固有頻率的影響規(guī)律不明顯，可以通過減小筋板厚度來降低立柱質(zhì)量。

2立柱結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化

以減小的材料質(zhì)量為狀態(tài)變量，對該型機床床身的原始模型進行形狀拓撲優(yōu)化計算，為后期的詳細設(shè)計提供依據(jù)，目的是在確保其承載能力的基礎(chǔ)上減輕床身重量，降低制造成本，增加立柱運動的快速相應(yīng)能力。為了更為真實的模擬立柱所承受的工作載荷，本次優(yōu)化將立柱放置于整個機床系統(tǒng)中，床身底面施加固定約束，刀頭處施加切削載荷。以減重20%為目標函數(shù)，對該型機床立柱進行拓撲優(yōu)化，可以看出：該型機床立柱可在一定程度上進行優(yōu)化減重，且可重點減輕立柱上部兩導(dǎo)軌之間空腔的壁厚，加大遠離刀頭一側(cè)導(dǎo)軌空腔的孔洞大小。

3立柱內(nèi)部筋板改進

立柱的肋板形式和布置，對機床的動態(tài)性能有很大影響。因此，本文對立柱內(nèi)部筋板形式進行優(yōu)選，根據(jù)立柱具體結(jié)構(gòu)，分析了蜂窩筋和直筋板對其動靜態(tài)性能的影響規(guī)律。對不同筋板形式下，立柱的動態(tài)特性進行分析。可以看出：質(zhì)量相同的兩種結(jié)構(gòu)方式，直筋在各階固有頻率上都占有優(yōu)勢，此外直筋的鑄造工藝更為簡單，因此，建議立柱內(nèi)部筋板采用直筋形式。

4結(jié)束語

1）對立柱原模型進行分析可知，該型機床立柱前兩階固有頻率分別為51.88Hz和58.58Hz，主要為立柱沿X項擺動和沿Z向擺動，由前兩階頻率較低，容易與整機驅(qū)動頻率發(fā)生耦合共振；

2）以立柱的壁厚、筋板高度以及筋板厚度作為一組設(shè)計變量，利用靈敏度法分析各結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對立柱動態(tài)性能的影響。結(jié)果表明：增加立柱壁厚可提高立柱固有頻率，增加筋板高度并不能提高立柱固有頻率，筋板厚度對立柱動態(tài)特性影響不明顯。

3）通過拓撲優(yōu)化發(fā)現(xiàn)，該型機床立柱可從兩方面進行減重：一是減輕立柱上部兩導(dǎo)軌之間空腔的壁厚，二是加大遠離刀頭一側(cè)導(dǎo)軌空腔的孔洞大小；

4）與蜂窩筋相比，直筋板在各階固有頻率上都占有優(yōu)勢，且鑄造工藝簡單，建議該型機床立柱內(nèi)部筋板采用直筋形式；

5）分析結(jié)果可為該類型機床立柱的進一步改進設(shè)計提供依據(jù)，具有一定的工程應(yīng)用價值。

作者：孫波 袁宇 朱林波 單位：沈機集團昆明機床股份有限公司