游達(dá)章，陶揚(yáng)，楊奇彪

(湖北工業(yè)大學(xué)，湖北 武漢 430068)

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象鼻式銑齒機(jī)立柱的優(yōu)化設(shè)計(jì)

游達(dá)章，陶揚(yáng)，楊奇彪

(湖北工業(yè)大學(xué)，湖北 武漢 430068)

摘要：機(jī)床結(jié)構(gòu)剛度的提高有助于提升機(jī)床加工精度及改善機(jī)床的動(dòng)力學(xué)性能?；诮Y(jié)構(gòu)仿生學(xué),利用拓?fù)湓韺?duì)象鼻式銑齒機(jī)立柱內(nèi)部的筋板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。對(duì)原型及改進(jìn)后的立柱進(jìn)行了靜力、模態(tài)分析。結(jié)果表明，改進(jìn)后的立柱質(zhì)量減輕,剛度性能及力學(xué)性能得到明顯提高。

關(guān)鍵詞：銑齒機(jī)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；拓?fù)鋬?yōu)化；結(jié)構(gòu)仿生立柱；生物骨架；載荷路徑

生物體的結(jié)構(gòu)特征是優(yōu)勝劣汰和自然進(jìn)化的有力證明，與機(jī)械結(jié)構(gòu)相比具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)。結(jié)構(gòu)仿生學(xué)是一門通過研究生物體的功能結(jié)構(gòu)，運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法建造類似結(jié)構(gòu)的機(jī)械裝置以實(shí)現(xiàn)類似功能的一門學(xué)科。現(xiàn)代制造業(yè)迅猛發(fā)展使得高速高效、精密加工成為機(jī)床發(fā)展的趨勢(shì)。高效機(jī)床在高切削線速度時(shí)保持高精度使得機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件向高比剛度方向發(fā)展。其實(shí)，人類已經(jīng)在仿生設(shè)計(jì)上做了一定的工作，比如巴黎埃菲爾鐵塔的中心拱梁是模仿骨的微觀組織而設(shè)計(jì)。如果機(jī)床的內(nèi)部構(gòu)造可以仿照某種生物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)而進(jìn)行布置，將有可能優(yōu)化機(jī)床結(jié)構(gòu)，提高機(jī)床加工精度等?；诮Y(jié)構(gòu)仿生的原理，引入生物骨架的構(gòu)型思路，對(duì)象鼻式銑齒機(jī)立柱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)。

1立柱受力分析

象鼻式銑齒機(jī)可以實(shí)現(xiàn)x、z兩個(gè)方向的平動(dòng)，以及銑刀和轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)，立柱可以沿x軸方向平動(dòng)。假設(shè)刀架體運(yùn)動(dòng)為勻速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)?shù)都荏w向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，由刀架體受力平衡可得:

N1=N2=N3=N4=9750N，

F0=-2000N，F(xiàn)1=F2=48000N

(1)

式中，N1、N2、N3、N4為刀架體分別通過上下部分的滑塊對(duì)左右立柱的作用力；F0為電機(jī)施加給立柱的作用力；F1和F2為配重的支架對(duì)立柱的作用力(圖1)。

圖1　象鼻式銑齒機(jī)刀架體受力分析

2結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)

2.1需求分析

機(jī)床立柱的變形對(duì)其加工精度會(huì)產(chǎn)生較大的影響，因此，在其他條件不變的情況下，改善立柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)減小其變形量可以提高機(jī)床加工精度。原型立柱內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，從圖中可以看出，立柱內(nèi)部分布了大量的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)且分布規(guī)整。然而，由于此結(jié)構(gòu)沒有考慮機(jī)床在加工過程中產(chǎn)生的應(yīng)力、應(yīng)變等情況，可能會(huì)使某些加強(qiáng)筋無法發(fā)揮其用處而造成浪費(fèi)，因此有必要對(duì)立柱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。根據(jù)結(jié)構(gòu)仿生學(xué)原理，在分析葉脈結(jié)構(gòu)規(guī)律的基礎(chǔ)上，在原立柱內(nèi)部加強(qiáng)筋進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)(圖3)。

圖2　原型立柱內(nèi)部加強(qiáng)筋形式

圖3　立柱仿生設(shè)計(jì)空間

2.2生物體性能研究

在整個(gè)生物體中，骨架承受的載荷最大，因此，其布局符合剛度最優(yōu)的布局原則[2]。圖4為葉脈結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，可將筋板結(jié)構(gòu)仿照葉脈結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，達(dá)到加強(qiáng)其整體剛度的作用。因此，在立柱加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)中，突破傳統(tǒng)的形狀和布置形式，將其作為立柱的骨架來設(shè)計(jì)，將有可能取得更好的效果。

圖4　葉脈結(jié)構(gòu)的模擬

2.3仿生設(shè)計(jì)

拓?fù)鋬?yōu)化體現(xiàn)的立柱載荷路徑如圖5所示，據(jù)此可以確定一個(gè)擁有最佳載荷路徑的設(shè)計(jì)方案，將結(jié)果中的材料高密度區(qū)域作為結(jié)構(gòu)，而將材料低密度的區(qū)域用孔來表示，再經(jīng)過局部的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)得到的設(shè)計(jì)結(jié)果如圖6所示。

圖5　載荷路徑效果圖

圖6　仿生型立柱

3有限元分析

3.1靜力學(xué)分析

立柱材料選用灰鑄鐵，其材料特性參數(shù)如下:密度ρ=7200 kg/m3；彈性模量E= 66MPa；泊松比γ= 0.27。立柱變形云圖如圖7和圖8所示，立柱靜力學(xué)分析結(jié)果如表1所示。

表1　立柱有限元分析結(jié)果

圖7　原型立柱變形云圖

圖8　仿生型立柱變形云圖

1) 應(yīng)力分析：仿生型的最大應(yīng)力值與原型立柱相差不大，工作臺(tái)的最大應(yīng)力值也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的應(yīng)力極限。因此在設(shè)計(jì)機(jī)床立柱這樣的結(jié)構(gòu)件時(shí)，考慮的主要因素是剛度。因此偏重于剛度設(shè)計(jì)，重點(diǎn)優(yōu)化受載及變形不嚴(yán)重的區(qū)域。

2) 輕量化效果：減輕質(zhì)量達(dá)5. 86%。

3) 靜力學(xué)性能：最大變形減小，特別是在對(duì)加工精度影響較大的x方向，變形從10.2μm減小到9.6μm，減小了15.68% ，同時(shí)立柱的質(zhì)量也有所減輕，這說明立柱的靜剛度得到了較大的提高。

3.2模態(tài)分析

本文取立柱前五階固有頻率及振型進(jìn)行對(duì)比，如表2所示。低階固有頻率較原型都有不同程度增加，其中一階固有頻率提高9.8%。說明經(jīng)過仿生設(shè)計(jì)，立柱的抗振性能得到相應(yīng)的提高。

表2　立柱固有頻率及振型

4結(jié)論

對(duì)機(jī)床立柱進(jìn)行了結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)， 并對(duì)立柱的各項(xiàng)力學(xué)性能進(jìn)行了仿真和分析， 結(jié)果表明在x方向上，變形從10.2μm減小到9.6μm，減小了15.68%， 一階固有頻率提高9. 8% ，并且更快達(dá)到穩(wěn)定，達(dá)到了較為滿意的結(jié)果。

參考文獻(xiàn):

[1] 岑海棠. 結(jié)構(gòu)仿生理論、輕質(zhì)零件結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)及RP工藝驗(yàn)證[D]. 北京:北京航空航天大學(xué),2004.

[2] 盛勇，陳艾榮. 從埃菲爾鐵塔看結(jié)構(gòu)藝術(shù)的表現(xiàn)[J]. 結(jié)構(gòu)工程師, 2005, 21(1): 1-5.

[3] 丁曉紅，李國(guó)杰,蔡戈堅(jiān). 薄板結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)筋自適應(yīng)成長(zhǎng)設(shè)計(jì)法[J]. 中國(guó)機(jī)械工程, 2005, 16(12): 1057-1060.

Optimization Design of Nasal Type Gear Milling Machine Column

YOU Da-zhang, TAO Yang, YANG Qi-biao

(School of Mechanical Engineering, Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China)

Abstract:High stiffness of machine tool structure helps to improve the machining accuracy and the dynamic performance of machine tools. Based on the bionic structure, the theory of topology is used to optimize the stiffened plate structure design of the nasal type gear milling machine tool column which is made play the role of the skeleton. Through the static modal and finite element analysis of the prototypes and bionic column, it is found that the mass of the column is reduced and the quality of the specific stiffness structural efficiency and its static-dynamic performance are improved greatly.

Keywords:gear milling machine; optimization design; topological optimization; structure bionic column; organic framework reef; load paths

收稿日期：2014-12-23

中圖分類號(hào)：TG61+1; TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1671-5276(2015)03-0033-03

作者簡(jiǎn)介：游達(dá)章(1975-)，男，湖北洪湖人，博士，副教授，研究方向?yàn)闄C(jī)電工程，機(jī)電產(chǎn)品可靠性技術(shù)，數(shù)控技術(shù)。