為了滿足國內(nèi)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣加工專用設(shè)備的 需求,研發(fā)了大功率、雙主軸龍門式銑削加工中心。該加工中心具有立式和臥式兩個(gè)加工主軸,分別位于 橫梁和立柱上,由于采用龍門框架結(jié)構(gòu),該加工中心 具有很高的剛性[1],不但滿足了大功率強(qiáng)力銑削的要 求,而且其緊湊的結(jié)構(gòu)極大地提高了航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣 的加工效率。該機(jī)床的立柱不僅要承受來自橫梁和立 軸的重力,還要承受臥軸的重力和銑削力的作用,因 此該立柱應(yīng)具有較強(qiáng)的抗壓、抗扭和抗振的能力,其 靜動(dòng)特性的優(yōu)劣直接影響到整個(gè)機(jī)床的加工性 能[2 - 3]。采用傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的立柱,其結(jié)構(gòu)尺寸和質(zhì)量較大,易造成材料的浪費(fèi)和成本的增加,需要對(duì)立 柱進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)分析, 確定立柱薄弱部位和方向[4 - 5],再對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。目前立柱的優(yōu)化方法很多,例如通過對(duì)不同筋板布局進(jìn)行類比擇優(yōu)的方法[6],采用基于遺傳算法的多目標(biāo)優(yōu)化方法[7],以及采用拓?fù)鋬?yōu)化與尺寸優(yōu)化相結(jié)合的優(yōu)化方法[8]等。
文中以雙主軸銑削加工中心的立柱為研究對(duì)象, 對(duì)其進(jìn)行了靜力、模態(tài)和諧響應(yīng)分析,確定立柱靜、動(dòng)剛度薄弱和不足之處; 根據(jù)分析結(jié)果,建立多目標(biāo)優(yōu)化模型,通過多目標(biāo)遺傳算法和靈敏度分析進(jìn)行優(yōu) 化設(shè)計(jì),最后根據(jù)最大峰值響應(yīng)情況確定了最優(yōu)方案。
1 立柱有限元模型以及受力模型的建立
雙主軸銑削加工中心采用立柱龍門式框架結(jié)構(gòu), 并設(shè)置立式、臥式兩個(gè)切削主軸,如圖 1 所示,文中研究的立柱上布置了臥式主軸,主軸功率為 39 kW 最高轉(zhuǎn)速為 4 500 r / min,立柱與滑鞍采用具有高剛度的滑動(dòng)導(dǎo)軌連接。
1. 1 有限元模型的建立
使用 Pro / E 建立立柱的三維模型,在保證求解精度的前提下對(duì)立柱進(jìn)行簡化處理。
將三維模型連接到 ANSYS Work- bench ( AWB) 中進(jìn)行前處理,在立柱導(dǎo)軌上建立受力面。設(shè)置材料為 HT300, 密度為 7 350 kg / m3 , 彈性模量為 130 GPa, 泊松比為0. 27。以立柱最小特征尺寸為依據(jù)設(shè)置網(wǎng)格尺寸為 80 mm,立柱的底部、與床身連接處的邊界條件設(shè)置
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4 結(jié)束語
通過對(duì)雙主軸銑削加工中心立柱進(jìn)行靜力分析, 確定了立柱靜剛度薄弱的方向; 由模態(tài)和諧響應(yīng)分析,確定了立柱在動(dòng)載荷的作用下,前 3 階固有頻率的響應(yīng)較大,其動(dòng)態(tài)特性存在不足; 根據(jù)分析結(jié)果, 建立了多目標(biāo)優(yōu)化模型,由多目標(biāo)遺傳算法和靈敏度 分析進(jìn)行了優(yōu)化,最后根據(jù)立柱最大峰值響應(yīng)的情 況,確定了最優(yōu)方案,最終使立柱總變形量減小了5. 5% ,質(zhì)量減少了 1. 2% ,前 3 階頻率加權(quán)平均值增加了 2. 17% , X、Y 方向峰值響應(yīng)分別減小了75. 5% 、75. 44% ,提高了立柱靜動(dòng)剛度、減小了質(zhì)量。
2024-12
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2024-12
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2024-10
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