機(jī)床結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與受力分析及立柱設(shè)計(jì)

于文啟 王剛

摘 要： 機(jī)床結(jié)構(gòu)的研究是提高現(xiàn)代機(jī)床精度、精密特征的一個(gè)重要途徑，分析機(jī)床整體結(jié)構(gòu)，進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，在利用結(jié)構(gòu)有限元分析方法，應(yīng)用在機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，可以提高機(jī)床的設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，同時(shí)對機(jī)床驅(qū)動(dòng)受力分析，設(shè)計(jì)合理的機(jī)床結(jié)構(gòu)和立柱機(jī)構(gòu)，保證機(jī)床的強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞： 拓?fù)鋬?yōu)化；驅(qū)動(dòng)受力分析；立柱結(jié)構(gòu)

1.拓?fù)鋬?yōu)化

對于像立式加工中心這種高精密機(jī)床的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)內(nèi)容比較繁瑣，控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)、換刀系統(tǒng)等，每個(gè)部分的設(shè)計(jì)都必須嚴(yán)格討論[1]，機(jī)床的設(shè)計(jì)流程如圖1.1。

機(jī)床的設(shè)計(jì)中主要是分為立項(xiàng)、設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試與試驗(yàn)，在立項(xiàng)環(huán)節(jié)是設(shè)計(jì)目標(biāo)，制定一個(gè)機(jī)床的方向，設(shè)計(jì)是制定機(jī)床結(jié)構(gòu)方案和理論分析，對機(jī)床進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化、分析與校驗(yàn)，然后是制造機(jī)床，生產(chǎn)一個(gè)樣機(jī)，對樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，調(diào)試修改不合理的位置，最后實(shí)現(xiàn)大批量生產(chǎn)。

機(jī)床的機(jī)構(gòu)優(yōu)化中包含以下幾種：

（1）尺寸優(yōu)化，是在結(jié)構(gòu)和拓?fù)洳蛔兊那闆r下，改變零件的尺寸或者截面，將零件的厚度或者性能最佳；

（2）形狀優(yōu)化，通過分析設(shè)計(jì)零件最理想的形狀和邊界，一般骨架位置是對佳優(yōu)化位置；

（3）拓?fù)鋬?yōu)化，這種是對零件內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，是設(shè)計(jì)零件內(nèi)部非實(shí)體區(qū)域的位置和數(shù)量，使其零件內(nèi)部結(jié)構(gòu)和布局以及節(jié)點(diǎn)聯(lián)結(jié)最優(yōu)，如圖1.2。

拓?fù)涞姆椒ò凑昭芯繉ο蟮牟煌梢苑譃榉蛛x散體結(jié)構(gòu)和連續(xù)體結(jié)構(gòu)，分散體結(jié)構(gòu)包含桁架、骨架等，連續(xù)包含二維板殼和三維實(shí)體，常見的拓?fù)鋬?yōu)化方法有均勻化方法和變密度方法[2]。

均勻法是在機(jī)床結(jié)構(gòu)的材料中引入微結(jié)構(gòu)單胞，通過這個(gè)方法，以單胞幾何尺寸和空間方位為變量，實(shí)現(xiàn)機(jī)床結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化模型與尺寸優(yōu)化的同一性和連續(xù)性。

變密度法是通過改變單元密度和材料物理屬性，它不僅可以采用結(jié)構(gòu)的柔順度為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，還可以用于特征值優(yōu)化、柔性機(jī)構(gòu)的優(yōu)化。

2驅(qū)動(dòng)受力分析

不同機(jī)床和不同型號的機(jī)床，結(jié)構(gòu)也不同，同時(shí)機(jī)床在工作時(shí)候所受的力也不同，機(jī)床在切削時(shí)候，各部件所受的力最復(fù)雜，機(jī)床各部件不僅需要承受自身的重力，還需要抵抗外部的載荷和切削載荷。

機(jī)床在切削的時(shí)候由于刀具與工件的作用，載荷也會(huì)不同，是在變化的，未來能保證機(jī)床的安全，所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候需要滿足極限切削載荷，分析方法可以通過估算法和指數(shù)公式法這兩種。

估算法是通過機(jī)床動(dòng)力元件電動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，分析最大動(dòng)能下的切削力，通過實(shí)際載荷估算極限載荷，公式如下：

式中：F—主切削力的功率消耗；

P—電動(dòng)機(jī)功率；

V—速度；

n—轉(zhuǎn)速；

i—傳動(dòng)比；

D—工件直徑。

指數(shù)公式法是在機(jī)床切削參數(shù)不能確定的時(shí)候，通過結(jié)構(gòu)切削條件為設(shè)計(jì)依據(jù)的受力分析法。

3立柱結(jié)構(gòu)

立式加工中心立柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求如下：

（1）要求立柱的結(jié)構(gòu)具有一定的剛度，能滿足零件高精密切削[3]；

（2）在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，要選取最大切削力為設(shè)計(jì)依據(jù)，通過這個(gè)數(shù)值進(jìn)行計(jì)算；

（3）取主軸箱部件位于立柱導(dǎo)軌上、下極限以及中間常用切削位置作為立柱設(shè)計(jì)工況。

通過立柱裝配關(guān)系，利用有限元分析法，分析立柱載荷及約束的形式，如圖3.1，立柱上的主軸箱部件通過直線導(dǎo)軌副和滾珠絲杠副進(jìn)行相連，切削力會(huì)通過它傳遞給立柱，通過切削載荷分析機(jī)床立柱力學(xué)模型，最后進(jìn)行立柱設(shè)計(jì)。

結(jié)論

本文通過優(yōu)化與分析，完成機(jī)床立柱結(jié)構(gòu)的靜態(tài)分析和輕量化設(shè)計(jì)，分析機(jī)床結(jié)構(gòu)中的力學(xué)分布，通過典型機(jī)床結(jié)構(gòu)的模型設(shè)計(jì)，通過物理分析和結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，總結(jié)和設(shè)計(jì)機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程，形成整套的設(shè)計(jì)方法，提高機(jī)床整體加工精度和性能。

參考文獻(xiàn)

[1]陳心昭.權(quán)義魯主編.現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊.[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2006.

[2]邢俏芳主編.機(jī)床支撐件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法.[D].大連：大連理工大學(xué).2013.

[3]馬超.機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法研究及在立柱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用.[D].大連：大連理工大學(xué).2010.