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立式車床立柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

文檔作者：蔣國生文檔來源：永州職業(yè)技術(shù)學(xué)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年06月01日
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設(shè)計(jì)與制造
2013年第3期(第26卷,總第125期)·機(jī)械研究與應(yīng)用
立式車床立柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)
蔣國生
(永州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南永州425000
摘要:采用科學(xué)計(jì)算和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的方法,類比同類車床立柱的結(jié)構(gòu),并依據(jù)有限元分析的數(shù)據(jù),對該立柱結(jié)
構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。針對FWL-8式車床立柱提出了三個(gè)減重方案。通過對立式車床立柱的有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化,減
輕了車床立柱的重量,節(jié)省了工程材料,立柱的強(qiáng)度剛度和固有頻率等指標(biāo)能滿住實(shí)際工作的需要,為同類型機(jī)床
的設(shè)計(jì)生產(chǎn)提供了更多的理論依據(jù)。
關(guān)鍵詞:車床立柱;模態(tài)分析;有限元分析;結(jié)構(gòu)優(yōu)化
中圖分類號(hào):TH12
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號(hào):1007-4414(2013)03-0102-03
 Structural Design Optimization for Lathe Column
 JIANG Gou-sheng
 (Yongzhou Vocational College, Yongahou Hunan 425000, China)
 Abstract: In this paper, combining scientific computing with practical experience, along the similar lathe pillar structure and
 on the basis of the data of finite element analysis three measures are made. Through the finite element analysis and structura
 optimization of FWL-8 vertical lathe pi llar, it could reduce the weight of the lathe pillar and save the project materials, and
 the strength, stiffness and natural frequency could meet the need of actual work. It could provide more theoretical basis for the
 same the type of machine tool design and production
 Key words: lathe column; modal analysis; finite element analysis; structural optimization
1引言
2立柱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
在立式車床和各組成部分中,立柱起著關(guān)鍵部件2.1參數(shù)化有限元模型
的作用,并與整機(jī)性能有著密切的關(guān)系。對機(jī)床主要建立準(zhǔn)確可靠的結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算模型,是一項(xiàng)極
零部件進(jìn)行有限元分析,并優(yōu)化零部件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。為重要的工作,它直接關(guān)系到計(jì)算結(jié)果的正確與否。
東南大學(xué)和無錫機(jī)床股份有限公司對內(nèi)圓圓磨床但實(shí)際工程問題往往非常復(fù)雜,結(jié)構(gòu)形狀、支承邊界、
M2120A立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析,得到立柱前幾階載荷等存在各種可能,因此要求在建立計(jì)算模型的過
的固有頻率和振型,分析立柱的內(nèi)部筋板布置對結(jié)構(gòu)程中進(jìn)行必要的簡化,然而這種簡化的結(jié)果,使得計(jì)
動(dòng)態(tài)特性的影響。張海偉利用動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)分析和理算模型只能近似地反映工程實(shí)際問題,或者說計(jì)算模
論模型分析兩種方法對臥式加工中心的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)型在不同程度上都具有一定的近似性。結(jié)構(gòu)有限元
行了分析,通過實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)與理論計(jì)算結(jié)果對比分法分析結(jié)果的準(zhǔn)確性很大程度上受到所建模型準(zhǔn)確
析,驗(yàn)證了理論模型的合理性,找出了機(jī)床的薄弱環(huán)性的影響。通過觀察WL-8零件圖發(fā)現(xiàn),立柱屬于
節(jié),并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。優(yōu)化后分析結(jié)果證明,機(jī)床結(jié)焊接件,有許多圓角、工藝孔、螺孔。如果根據(jù)實(shí)際情
構(gòu)的最大變形值都相應(yīng)降低2。陳慶堂運(yùn)用工程軟況將這些實(shí)體特征在 SolidWorks22009中進(jìn)行造型,勢
件 ANSYS的優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊,根據(jù)立柱的實(shí)際工況及必增加有限元計(jì)算量。最終建立的立柱結(jié)構(gòu)模型,如
機(jī)床零件加工精度要求,在參數(shù)化建模及結(jié)構(gòu)應(yīng)力分圖1所示。
析基礎(chǔ)上,對XK713數(shù)控銑床軸箱結(jié)構(gòu)以減輕重量
為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)及分析,立柱結(jié)
構(gòu)重量減輕了23.2%,三個(gè)方向上的剛度和應(yīng)力得
到了合理的分布3。不僅大大提高了立柱的動(dòng)態(tài)性
能,而且節(jié)省了材料,降低了生產(chǎn)成本。筆者采用
科學(xué)計(jì)算和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的方法,類比同類車床立
柱的結(jié)構(gòu),并依據(jù)有限元分析的數(shù)據(jù),對該立柱結(jié)構(gòu)
進(jìn)行優(yōu)化。
圖1修改后的立柱模型
收稿日期:2013-04-17
作者簡介:蔣國生(1965-),男,湖南永州人,副教授,研究方向:數(shù)控加工技術(shù)、cA/CAM/CAE
102
·機(jī)械研究與應(yīng)用·2013年第3期(第26卷,總第125期)
設(shè)計(jì)與制造
2.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)
(2)減小筋板厚度由于筋板使用了較為優(yōu)化
以立柱結(jié)構(gòu)為研究對象,保證減重后立柱的強(qiáng)度的“米”字形結(jié)構(gòu),其強(qiáng)度和剛度都較高,并且從AN
和剛度不變,固有頻率不降低。經(jīng)分析,提出以下幾SYS10.0中分析中,也得出了設(shè)計(jì)過分保守的結(jié)果,
種減重方案。
所以可減小筋板厚度,從而減小質(zhì)量,如圖4所示。
(1)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的有限元分析結(jié)果。本課題減重壁板和筋板厚度的減小后,立柱整體質(zhì)量也較小,如
方案的主體思想是根據(jù)現(xiàn)有應(yīng)力集中情況,在某些應(yīng)表1所列。
力集中處適當(dāng)加強(qiáng);對于位移梯度變化較大的位置適
當(dāng)加強(qiáng),反之適當(dāng)減弱。
(2)類比同類產(chǎn)品的立柱結(jié)構(gòu)。同類車床產(chǎn)品
有FW-6等型號(hào),以及參考國外先進(jìn)設(shè)備的立柱的
結(jié)構(gòu)形式,包括隔板的位置、數(shù)目、角度,筋板的截面
形狀、截面積、傾斜角度等。
(3)合理地減薄壁板厚度以及去掉部分材料。
本課題研究的立柱由于原始設(shè)計(jì)過于保守,可適當(dāng)?shù)?
減薄壁板厚度,或者去掉部分筋板。
2.3減小壁板和筋板的厚度
(1)減小壁板厚度原始的立柱設(shè)計(jì)較為保守
應(yīng)力分析時(shí),安全系數(shù)超過30。通過 SolidWorks22009
圖4減小圓筒的厚度
平臺(tái)對立柱的三維模型進(jìn)行修改,以達(dá)到在保證剛度
和強(qiáng)度的情況下盡可能多的降低立柱的質(zhì)量。圖2
表1立柱重量對比
 /kg
所示即為原始立柱壁板草圖的相關(guān)尺寸。在此對立
立柱的質(zhì)量
質(zhì)量值
柱的壁板厚度進(jìn)行局部修改,并重新建模,修改完畢
原始質(zhì)量
9088
的尺寸如圖3所示。從修改后的壁板草圖可以看出,
修改后質(zhì)量
8562
壁板厚度從原來的30mm減小到25mm,減薄了5
mm。尺寸的修改主要是內(nèi)部尺寸修改,外部尺寸保2.4增大導(dǎo)軌的接觸面
持不變,有利于建模和外部形狀不變。
由于車床高速加工時(shí),立柱所受的力較大,約為
50000N。增大導(dǎo)軌的接觸面,一方面能降低對鑲鋼
導(dǎo)軌作用與立柱的壓強(qiáng);另一方面能使立柱受迫振動(dòng)
的頻率降低,發(fā)生共振的可能性降低,減少噪音,如圖
5所示。
一A
圖2原始的壁板草圖
圖5增大導(dǎo)軌接觸面部位示意圖
原始設(shè)計(jì)圖中,A1面積為100×1790=179000
mm2;A2面積為160×1790=286400mm2;A3面積為
100×1790=179000mm2;其中,A1受力F1=25000
N;A2受力F1=12500N;A3受力F1=12500N
改進(jìn)后立柱結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),A1面積為120×1790=214
800mm2;A2面積為160×1790=286400mm2;A3面積
圖3修改后的壁板草圖
為120×1790=214800mm2;其中,A1受力F1=25000
N;A2受力F1=12500N;A3受力F1=12500N
103·
設(shè)計(jì)與制造
2013年第3期(第26卷,總第125期)·機(jī)械研究與應(yīng)用
2.5增大壁板和筋板上的通孔
在壁板和筋板能正常使用的情況下,可增加通孔
大小,從而減輕重量,將通孔大小從220mm×150mm
增大到220mm×160mm,總量又從8462kg減到了7
761kg,優(yōu)化的質(zhì)量有1327kg,達(dá)到了14.6%。
3有限元分析
為了分析改進(jìn)后立柱結(jié)構(gòu)性能的變化,下面對新
的立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。將新的立柱結(jié)構(gòu)模型
圖7X、Y方向形變云圖
導(dǎo)入 ANSYS110.0進(jìn)行靜力分析,各種云圖如圖6~9
所示。應(yīng)力和最大位移對比統(tǒng)計(jì),如表2所列。
圖6節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力 Von Mises分布云圖
圖8Z方向形變云圖 Translation圖9結(jié)構(gòu)總變形
USUM云圖
表2應(yīng)力和位移對比統(tǒng)計(jì)
應(yīng)力(MPa)
最大位移(μm)
X向位移
Y向位移
原始
等效應(yīng)力
Z向位移
結(jié)構(gòu)總變形
6.53
6.9
64.7
9.
62.2
等效應(yīng)力
92
X向位移
Y向位移
Z向位移
結(jié)構(gòu)總變形
修改后
11.6
13.4
131
18.5
132
修改后,立柱結(jié)構(gòu)大部分區(qū)域安全系數(shù)N=,÷析,分析其形變和應(yīng)變的特點(diǎn),并與原模型進(jìn)行比較,
=235÷11.6=20,安全系數(shù)雖然還較大,但是由于最終確定優(yōu)化方案。
結(jié)構(gòu)總變形量開始變大,所以不能單單為了強(qiáng)度而忽
參考文獻(xiàn):
略了剛度。此設(shè)計(jì)能滿足工作的實(shí)質(zhì)要求。
4結(jié)語
[1]陳慶堂基于 ANSYS的數(shù)控銑床主軸箱優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]莆田學(xué)院
介紹了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基本思想和方法,在保證原有
學(xué)報(bào),2008(5):5-25
[2]湯文成,易紅.板厚對機(jī)床床身動(dòng)態(tài)特性的影響[J]制造技
結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上減小了壁板和筋板的厚度,通過運(yùn)用增
術(shù)與機(jī)床,2007(3):8-12
大導(dǎo)軌的接觸面積以及增大壁板和筋板上通孔的方[3]王艷輝,伍建國,繆建成精密機(jī)床床身的模態(tài)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)選
法,達(dá)到優(yōu)化結(jié)構(gòu)、減輕重量的要求。通過再次建立]機(jī)械設(shè)計(jì)與制造2005(3):8-16
三維實(shí)體模型,利用 Ansys110.0軟件進(jìn)行有限元分
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本刊輯·
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