銑車復(fù)合加工中心立柱高比剛度效能仿生設(shè)計研究*

謝黎明 ，楊忠泮 ，靳 嵐，宋 博

(蘭州理工大學(xué) a.數(shù)字制造技術(shù)與應(yīng)用省部共建教育部重點實驗室；b.機電工程學(xué)院，蘭州 730050)

銑車復(fù)合加工中心立柱高比剛度效能仿生設(shè)計研究*

謝黎明a,b，楊忠泮b，靳 嵐a,b，宋 博b

(蘭州理工大學(xué) a.數(shù)字制造技術(shù)與應(yīng)用省部共建教育部重點實驗室；b.機電工程學(xué)院，蘭州 730050)

針對某型銑車復(fù)合加工中心立柱的輕量化問題，文章基于仿生設(shè)計原理和方法，在分析銑車復(fù)合加工中心立柱工作載荷的基礎(chǔ)上，從空莖植物的力學(xué)與構(gòu)型特性出發(fā)，以高比剛度結(jié)構(gòu)效能為目的，對立柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行仿生設(shè)計。通過對仿生型立柱進行靜力和模態(tài)仿真分析，其結(jié)果表明，仿生型立柱的質(zhì)量減輕，比剛度結(jié)構(gòu)效能得到較大提高，其靜動力學(xué)性能也有顯著改善。

銑車復(fù)合加工中心；立柱；比剛度結(jié)構(gòu)效能；仿生設(shè)計

0 引言

本文以銑車復(fù)合加工中心立柱為研究對象，從結(jié)構(gòu)仿生的設(shè)計原理出發(fā)，以提取空莖植物的構(gòu)型特性為依據(jù)，以立柱工作載荷計算結(jié)果為條件，并以機床立柱達(dá)到高比剛度效能為目的，對銑車復(fù)合加工中心立柱的內(nèi)部進行了結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計，并對優(yōu)化后立柱結(jié)構(gòu)進行靜力和模態(tài)仿真分析，為機床支承件結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了新的思路。

1 立柱結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計

動物的骨骼、植物的枝條根莖等“生物支架”，充分體現(xiàn)了自然進化的最優(yōu)結(jié)構(gòu)，以最少的材料承受最大的載荷，從而獲得結(jié)構(gòu)效能最大值[1-2]?？涨o植物具有最優(yōu)的力學(xué)性能，其結(jié)構(gòu)特征主要表現(xiàn)為：硬質(zhì)材料集中在外面，中間為松軟狀物質(zhì)，同時表層組織的彈性模量大于沿縱向周向而又遠(yuǎn)大于內(nèi)部組織，而彈性模量對于結(jié)構(gòu)的高比剛度效能起到關(guān)鍵性作用。

在結(jié)構(gòu)方面，立柱與中空植物莖桿十分相似，都存在連續(xù)和離散結(jié)構(gòu)的布局；在功能方面，除去生物機理外，立柱與莖桿都是在整個生物體中作為支承件，承受其他部件和載荷引起的壓力和彎矩，相似于植物葉片對葉柄施加壓力和彎矩。因此，生物體的輕質(zhì)空心結(jié)構(gòu)是高比剛度效能設(shè)計的首選原型[3]。從生物結(jié)構(gòu)仿生思想出發(fā)，在分析植物莖桿結(jié)構(gòu)規(guī)律的基礎(chǔ)上，以不改變銑車復(fù)合加工中心立柱現(xiàn)有整體功能結(jié)構(gòu)為前提，根據(jù)葉柄截面的生物組織形式，對立柱隔板筋板進行仿生演進設(shè)計。

1.1 仿生設(shè)計過程

結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計主要分為以下3個步驟：

(1)生物結(jié)構(gòu)原則分析。根據(jù)機械結(jié)構(gòu)的功能要求，進行相似性分析，總結(jié)相對應(yīng)生物體構(gòu)型原則。

(2)仿生設(shè)計應(yīng)用。將所述生物體結(jié)構(gòu)的構(gòu)型原則應(yīng)用于機械結(jié)構(gòu)改進。

(3)優(yōu)化模型確定。將仿生型與原型結(jié)構(gòu)進行對比，確定最優(yōu)仿生型結(jié)構(gòu)并總結(jié)規(guī)律。

1.2 生物體構(gòu)型分析以及應(yīng)用

(1)主受壓區(qū)域：因為葉柄在主受壓區(qū)域增加材料密度和尺寸，所以在立柱的主受壓區(qū)，以提高抗彎性能為目的，抵抗導(dǎo)軌受力引起的彎曲變形，適當(dāng)增加向心狀仿生隔板，提高抗彎性能。

(2)主受拉區(qū)域：立柱左右外側(cè)面受拉明顯，結(jié)合鑄造工藝和結(jié)構(gòu)仿生構(gòu)型比擬的基本原則，側(cè)面筋板采用輻射狀“太陽筋”改進結(jié)構(gòu)可以有效提高整體剛度。結(jié)合芭蕉葉柄內(nèi)部結(jié)構(gòu)對立柱內(nèi)部做仿生設(shè)計，確定在墻體式封閉型對稱框架結(jié)構(gòu)的立柱內(nèi)部增加放射狀封閉截面隔板，最后在結(jié)合立柱工作載荷分析結(jié)果，從結(jié)構(gòu)高比剛度及輕量化要求出發(fā)，立柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 仿生型立柱筋板和隔板結(jié)構(gòu)形式

圖2 仿生型和原型立柱結(jié)構(gòu)對比圖

2 立柱工作載荷計算

2.1 立柱所受最大載荷分析

立柱與其相連的橫梁及直驅(qū)動力擺頭刀架的裝配關(guān)系如圖3所示。當(dāng)橫梁移動到立柱上方行程極限位置時，立柱所承受扭轉(zhuǎn)力矩達(dá)到最大值；當(dāng)直驅(qū)擺頭動力刀架處在橫梁正中間位置時，立柱所承受的彎矩達(dá)到最大值，立柱在此處受到最大工作載荷[4]。立柱通過直線滾動導(dǎo)軌與橫梁相連結(jié)，立柱在X、Z方向所受的載荷加載于橫梁和立柱的導(dǎo)軌相接觸的工作線上，立柱在Y方向所受的載荷加載于導(dǎo)軌接觸工作面上。當(dāng)立柱處于最大工作載荷位置時，坐標(biāo)原點O設(shè)為立柱左邊導(dǎo)軌的的工作面上。

圖3 立柱最大工作載荷工位及空間直角坐標(biāo)系

2.2 切削力計算

銑車復(fù)合加工中心可以實現(xiàn)銑、鏜、車、鉆、擴等功能。按照“典型危險工況”原則,選擇銑削力為極限狀態(tài)下主軸最大切削力載荷，利用單位切削力乘以平均銑削面積，并根據(jù)不同切削條件進行修正求得，主軸端3個方向切削力分別為：

(1)

(2)

徑向力 ：Fy=0.9Fx=5936N

(3)

軸向力 ：Fz=0.9Fx=4617N

(4)

式中，ae為銑削寬度；ap為銑削深度；af為每齒經(jīng)濟量；Z為銑刀齒數(shù)；d0為銑刀直徑。

2.3 立柱在工作線上的載荷計算

設(shè)墻體式立柱左右兩側(cè)的工作線上總載荷沿空間3個坐標(biāo)軸各有2分量，即6個矢量在立柱左、右兩側(cè)工作線上，由慣性力和切削反力對立柱工作線產(chǎn)生總工作載荷如表1(表中下標(biāo)1、2分別表示立柱左、右兩側(cè)工作線)。

表1 立柱工作線產(chǎn)生的總工作載荷

3 仿生型立柱靜力學(xué)及模態(tài)分析

3.1 靜力學(xué)分析

表2 立柱靜力學(xué)分析結(jié)果

(1)應(yīng)力應(yīng)變分析：仿生型最大應(yīng)力值是原型的1.9倍，但是立柱加載后最大應(yīng)力值遠(yuǎn)小于材料HT300的強度極限300MPa。設(shè)計立柱這類支承件時，在靜剛度滿足的基礎(chǔ)下，獲得較高的剛度—重量比才是主要目的。后者在很大程度上反映著設(shè)計的合理性。所以，把更多的材料分配到受載大，變形大的區(qū)域，而非應(yīng)力集中區(qū)。

(2)輕量化結(jié)果：立柱質(zhì)量由原來的9815kg，減小到9255kg，減重達(dá)5.7%。

(3)靜力學(xué)性能：最大變形減小，在加工誤差敏感方向的Y方向由9.0μm下降到8.8μm，減小了2.2%，雖然仿生型立柱最大變形9.9μm發(fā)生在內(nèi)部筋板處，但立柱上端變形明顯改善。同時立柱質(zhì)量減輕，比剛度效能提高14.3%。說明立柱靜態(tài)特性得到有效提升。

圖4 原型立柱變形云圖

圖5 仿生型立柱變形云圖

3.2 動態(tài)性能分析

立柱前六階固有頻率及振型進行比較分析如表3，前三階模態(tài)振型圖如圖6所示 。

表3 立柱固有頻率及振型

(a)第一階振型 (b)第二階振型 (c)第三階振型圖6 立柱前三階振型

仿生型立柱的各階振型與原型立柱大致相同，但仿生型立柱的各階固有頻率比原型都有了不同程度提高。從前六階固有頻率看出，立柱以整體振型居多。在大部分階次下，立柱上端振幅較大，振型明顯，這是由于加工中心的立柱采用底部固定方式，且立柱較為高大，較大振幅出現(xiàn)在第三、四、六階模態(tài)。第三、四階為扭轉(zhuǎn)振型，立柱上部扭轉(zhuǎn)振幅最大；立柱第六階為彎曲振型，沿X軸方向彎曲，中部振幅較大。立柱的前六階振型主要表現(xiàn)為彎曲和扭轉(zhuǎn)，所以提高抗彎和抗扭性能是優(yōu)化工作的重點。由于在空載和滿載工況條件下，當(dāng)激振頻率在80Hz時，Y方向?qū)庸ぞ扔绊懽畲骩5]。經(jīng)過仿生優(yōu)化，立柱的一階固有頻率提高1.3%，而振幅較大的三、四、六階固有頻率也分別提升0.34%、11.6%、2%，并且加工誤差敏感方向的Y方向變形減小了2.2%。說明運用結(jié)構(gòu)仿生優(yōu)化后的立柱抗振性能和整機加工精度都得到了一定的改善及提升。

4 結(jié)論

本文在分析銑車復(fù)合加工中心立柱工作載荷的基礎(chǔ)上，根據(jù)空莖植物的力學(xué)與結(jié)構(gòu)特點，以立柱的高比剛度效能為目的對其結(jié)構(gòu)進行仿生設(shè)計，結(jié)果表明，仿生型立柱的比剛度效能提高14.3%，一階固有頻率提高1.3%，質(zhì)量減輕5.7%，加工誤差敏感方向的Y方向變形減小了2.2%。達(dá)到了較為滿意結(jié)果，為高速機床結(jié)構(gòu)件設(shè)計提供了新的思路。

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(編輯 李秀敏)

High SME Bionics Structure Design of Vertical Column Based on Milling-turning CNC

XIE Li-minga,b,YANG Zhong-panb,JIN Lana,b,SONG Bob

(a.Key Laboratory of Digital Manufacturing Technology and Application, The Ministry of Education;b.School of Mechanical and Electronical Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China)

Aimed at the lightweight request of Mill-turning CNC column, based on the theory of biological structure design and the stress and structure features of the ideal modal of the hollow-stem plant’s, and combined with the structure and functional requirements of Mill-turning CNC column, this article presents a bionic design of the interior structure of a column to achieve higher SME(Specific stiffness structural efficiency ) after the analysis of the working load of Mill-turning CNC column, while its existing overall functional structures are maintained. According to the static and modal simulation analysis of the bionic column and the finite element analysis (FEA), compared with the prototype column, the weight of the bionic column is reduced,the SME is increased markedly,the first order frequency is increased and the dynamic and static characteristics are also improved.

mill-turning CNC;column;SME;biological structure design

1001-2265(2017)01-0138-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.01.038

2016-03-09

“高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備”國家科技重大專項(2010ZX04001-032)

謝黎明(1962—)，男，回族，安徽黃山人，蘭州理工大學(xué)教授，碩士，研究方向為先進制造技術(shù)及高速數(shù)控機床等，(E-mail)yzp90911@sina.com；通訊作者：楊忠泮(1990—)，男，蘭州人，蘭州理工大學(xué)碩士研究生，研究方向為先進制造技術(shù)，(E-mail)363583280@qq.com。

TH114；TG659

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