高速立式加工中心關鍵部件結構優化

高速立式加工中心是數控機床設備中加工效率zui高、加工批量化程度zui大,在有色金屬和難加工材料零件的生産中應用zui廣泛的數控機床之一。随着高速加工中心加工精度和加工效率的提高,關鍵部件的動靜特性成為制約高水平加工中心的重要指标,關鍵部件的結構優化成為提高其動靜特性的重要途徑。本文的主要目标是針對高速立式加工中心的結構特點,對關鍵部件進行必要的結構優化以提升整機性能。本文首先對國内外在結構優化方面的進展進行了介紹,并對結構優化技術應用到機床行業情況進行了總結。根據加工中心設計的具體情況,着重闡述了利用結構優化技術提升高速立式加工中心關鍵部件性能的必要性。随後對優化驅動技術和有限元優化分析的基本思路進行了簡要闡述,并簡要介紹了有限元分析軟件ANSYS Workbench和Hyperworks,對結構拓撲優化的過程進行了介紹。

根據有限元分析基本理論并結合高速立式加工中心的具體特點,提出了适用于高速立式加工中心的有限元分析方法,包括基于裝配體的分析方法和複雜邊界條件的設置等,通過合理設置邊界條件達到充分模拟現場工況的要求。然後對高速立式加工中心的關鍵部件進行了詳細的有限元分析,得到關鍵部件的位移雲圖、應力雲圖和模态雲圖,為後續的優化分析提供了依據。依據尺寸優化的特點和具體優化過程,首先利用基于靈敏度分析的尺寸選擇技術對關鍵尺寸進行了篩選,找到對關鍵部件動靜特性影響較大的參數；然後對關鍵部件進行了以減輕自身質量為目标的基于目标驅動技術的多目标尺寸優化設計。利用優化後尺寸對模型進行重建,通過對關鍵部件優化前後的有限元分析結果進行對比,查看優化效果并指導關鍵部件的改進設計。zui後為了能夠進一步完善關鍵部件的結構,利用Hyperworks中的Optistruct模塊對關鍵部件進行拓撲優化。本文針對高速立式加工中心各個關鍵部件的具體特點,對滿足闆殼結構的模型進行了闆殼模型重建工作,然後分别利用實體模型和闆殼模型對關鍵部件進行了基于變密度法的拓撲優化分析,得到了較為理想的拓撲結構,并指導了關鍵部件的改進設計等工作。

立式加工中心是指主軸軸線與工作台垂直設置的加工中心，主立式加工中心機要适用于加工闆類、盤類、模具及小型殼體類複雜零件。立式加工中心能完成銑、镗削、鑽削、攻螺紋和用切削螺紋等工序。立式加工中心zui少是三軸二聯動，一般可實現三軸三聯動。有的可進行五軸、六軸控制。立式加工中心立柱高度是有限的，對箱體類工件加工範圍要減少，這是立式加工中心的缺點。但立式加工中心工件裝夾、定位方便；刃具運動軌迹易觀察，調試程序檢查測量方便，可及時發現問題，進行停機處理或修改；冷卻條件易建立，切削液能直接到達刀具和加工表面；三個坐标軸與笛卡兒坐标系吻合，感覺直觀與圖樣視角一緻，切屑易排除和掉落，避免劃傷加工過的表面。與相應的卧式加工中心相比，結構簡單，占地面積較小，價格較低。

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