機床結(jié)構(gòu)件輕量化設(shè)計的研究現(xiàn)狀與進展

趙星 蔡牟辰

沈陽機床股份有限公司

機床結(jié)構(gòu)件輕量化設(shè)計的研究現(xiàn)狀與進展

趙星 蔡牟辰

沈陽機床股份有限公司

隨著我國工業(yè)經(jīng)濟的飛速發(fā)展，機床結(jié)構(gòu)件也在不斷的發(fā)展更新，對其進行輕量化設(shè)計，在保證機床基本性能的基礎(chǔ)上減輕主軸的重量，不僅減少支承件在制造過程中的原材料的投入，而且有效降低能源消耗，經(jīng)濟又環(huán)保，這也是加工制造業(yè)發(fā)展的大勢所趨。

機床結(jié)構(gòu)件 輕量化 設(shè)計優(yōu)化

機床輕量化設(shè)計是指在滿足機床性能的前提下減少結(jié)構(gòu)件的重量，從而達到減少原材料和能源損耗，優(yōu)化機床性能，實現(xiàn)綠色制造的目的。是隨著高速加工技術(shù)的發(fā)展，機床結(jié)構(gòu)件的復(fù)雜程度越來越高，而結(jié)構(gòu)的輕量化要求也受到越來越多的關(guān)注。高速加工機床結(jié)構(gòu)設(shè)計的方向之一是增強剛性和減輕移動部件質(zhì)量。所以，提高機床運動構(gòu)件比剛度成為高速機床結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要主題。因此，在高速機床的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，沿襲數(shù)十年的普通數(shù)控機床的傳動與結(jié)構(gòu)已遠遠不能適應(yīng)要求，有必要進行全新設(shè)計。而在研究中采用創(chuàng)新的思維方式有助于實現(xiàn)跨越式發(fā)展，用更短的時間提高國產(chǎn)機床設(shè)計水平。

一、機床結(jié)構(gòu)件設(shè)計存在的問題

近年來研究人員對機床結(jié)構(gòu)與性能做了廣泛的探討，通過建立機床整機的有限元模型并對其進行性能分析，找到機床結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，用以指導(dǎo)機床結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。然而，機床的整體結(jié)構(gòu)是由床身、工作臺、立柱、主軸箱等支承件組成。它們作為基礎(chǔ)部件，起到承載、定位和連接的作用，其結(jié)構(gòu)特征和性能在很大程度上影響甚至決定了機床的整機性能，是機床輕量化設(shè)計的基礎(chǔ)和關(guān)鍵?，F(xiàn)有的機床結(jié)構(gòu)件的設(shè)計多基于設(shè)計者的已有經(jīng)驗和理論水平，因此存在一定的結(jié)構(gòu)不確定性，只能在實際使用過程中發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)中的弱點，并在后續(xù)的制造中加以改進。長期以來，機床結(jié)構(gòu)件的設(shè)計都是采用一般的結(jié)構(gòu)計算方法，如材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)以及彈性力學(xué)等公式進行計算，這對設(shè)計者的專業(yè)理論基礎(chǔ)有較高的要求。機床結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化多是對原有結(jié)構(gòu)的重復(fù)性設(shè)計（如筋板的布置、尺寸的優(yōu)化等），缺乏原則性的指導(dǎo)，且改進周期較長、耗費財力。機床結(jié)構(gòu)件的設(shè)計中雖然引入了許多先進的優(yōu)化算法和設(shè)計理論，但對結(jié)構(gòu)仿生的應(yīng)用還很少，有必要采用仿生學(xué)等理論方法實現(xiàn)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計。

二、機床主軸箱的輕量化設(shè)計

本文在對大量研究資料學(xué)習(xí)和借鑒的基礎(chǔ)上對機床主軸箱輕量化設(shè)計進行研究，通過對主軸箱主體拓撲優(yōu)化來實現(xiàn)輕量化的設(shè)計目標(biāo)。本文設(shè)計利用ANSYS有限元軟件對主軸箱結(jié)構(gòu)體進行有限元分析，探求主軸箱結(jié)構(gòu)的最理想的傳力路徑。拓撲優(yōu)化的過程主要分兩個步驟進行，首先對優(yōu)化參數(shù)進行定義并進行拓撲優(yōu)化。參數(shù)優(yōu)化定義主要是針對優(yōu)化函數(shù)、目標(biāo)函數(shù)以及結(jié)構(gòu)體的約束條件進行定義。同時，通過兩種途徑進行拓撲優(yōu)化，一種途徑是對結(jié)構(gòu)體的每一次拓撲優(yōu)化迭代加以執(zhí)行和控制，另一種途徑是對結(jié)構(gòu)體自動進行多次拓撲優(yōu)化迭代。利用ANSYS有限元軟件的拓撲優(yōu)化命令進行結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化處理和控制。首先，將應(yīng)力大的部位的形狀進行調(diào)整，將薄弱環(huán)節(jié)予以增強，用圓角過渡肋片替代將原設(shè)計中的折角肋片。將質(zhì)量富余的部門進行削減，同時將X方向板厚度進行削減，長度進行適當(dāng)?shù)目s短。其次，將多次優(yōu)化的主軸箱與原主軸箱進行對比和驗證，確定下一步優(yōu)化的方向，將最終優(yōu)化后的主軸箱利用ANSYS軟件進行有限元分析，得到主軸箱優(yōu)化設(shè)計后的應(yīng)力云圖和位移云圖，云圖看出優(yōu)化后的主軸箱具有足夠安全的強度，而且能夠滿足精度上的要求，在質(zhì)量上得到明顯的減少，拓撲優(yōu)化結(jié)構(gòu)比較滿意。

三、機床結(jié)構(gòu)仿生的輕量化設(shè)計

自然界中生物利用周圍環(huán)境的材料和自身產(chǎn)生的物質(zhì)形成了令人驚嘆的結(jié)構(gòu)形式，具有合理、精煉、高效的特點。特別是一些生物體結(jié)構(gòu)具有高比剛度、比強度，如果將生物體結(jié)構(gòu)中的優(yōu)化方法進行提取并應(yīng)用于機械產(chǎn)品的設(shè)計中，往往能夠達到降低質(zhì)量、優(yōu)化結(jié)構(gòu)、提高性能的目的。結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計突破了傳統(tǒng)方法的局限性，代表了機床設(shè)計與制造的發(fā)展方向。設(shè)計者已經(jīng)初步進行了相關(guān)的研究工作，逐步將生物體的優(yōu)良結(jié)構(gòu)應(yīng)用于機床結(jié)構(gòu)件的設(shè)計中。在面積相同的幾何圖形中是空間利用率最高的，如今許多要求高比剛度、比強度的結(jié)構(gòu)設(shè)計都運用了蜂窩結(jié)構(gòu)特性，如飛機、汽車、建筑等領(lǐng)域，在機床結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計中也逐步受到重視。如：大連機車車輛廠引進的某龍門加工中心，其工作臺、床身、立柱、橫梁和滑枕等大鑄件的內(nèi)腔系蜂巢式復(fù)合排列結(jié)構(gòu)，設(shè)計先進，且經(jīng)時效及二次回火處理，消除殘留內(nèi)應(yīng)力，使材質(zhì)穩(wěn)定，確保工件加工精度的穩(wěn)定及機床壽命，提高了結(jié)構(gòu)件的比剛度。在給定的載荷及支撐條件下，薄板結(jié)構(gòu)的加強筋從選定的一些種子出發(fā)，遵循自適應(yīng)成長規(guī)律，沿著能使結(jié)構(gòu)整體剛度最大的方向成長，結(jié)果表明，該方法比現(xiàn)有的設(shè)計方法簡單而高效。如果能夠在機床的典型板類結(jié)構(gòu)件采用葉脈結(jié)構(gòu)可能取得輕量化的結(jié)果。利用葉脈結(jié)構(gòu)對龍門銑床的橫梁進行了結(jié)構(gòu)仿生改進，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的輕量化。基于生物體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)特性進行了仿生設(shè)計，改進了工作臺底面的筋板布置，設(shè)計結(jié)果表明：仿生工作臺的質(zhì)量和最大變形均減小，使得比剛度顯著增大，仿生工作臺的5階以下固有頻率略高于原型工作臺?？梢赃x擇自然界中類似承力情況的植物莖稈結(jié)構(gòu)，進行相似性分析及仿生輕量化應(yīng)用。綜合利用生物莖稈結(jié)構(gòu)對機床工作臺進行了仿生設(shè)計，提高了比剛度。動物的骨架是承載體重的優(yōu)良結(jié)構(gòu)，如生物力學(xué)的相關(guān)研究表明，股骨在自適應(yīng)生長過程中不斷塑形，最終的承載結(jié)構(gòu)具有很好的剛度。

四、結(jié)語

機床結(jié)構(gòu)輕量化是高速加工中保證加工表面質(zhì)量和提高刀具耐用度的基本要求。而在研究中，采用創(chuàng)新的思維方式有助于實現(xiàn)跨越式發(fā)展，用更短的時間提高國產(chǎn)機床設(shè)計水平。從自然界中成熟的生物體形態(tài)、結(jié)構(gòu)與力學(xué)特征中吸取靈感，并進行分析、提煉和復(fù)制，通過結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計，將會提高資源的利用率，產(chǎn)生更加精煉而合理的、節(jié)約材料和能源的、具有競爭力的綠色結(jié)構(gòu)。

[1]趙嶺.機床結(jié)構(gòu)件輕量化設(shè)計的研究現(xiàn)狀與進展[J].機床與液壓，2015.

[2]王海云.臥式車床支承件結(jié)構(gòu)構(gòu)型與參數(shù)研究[J].企業(yè)文化，2016.