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        微型移動(dòng)龍門式銑床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

        2019-07-29 02:00:48卜雪梅
        中國金屬通報(bào) 2019年4期
        關(guān)鍵詞:模態(tài)有限元優(yōu)化

        卜雪梅

        (齊齊哈爾二機(jī)床(集團(tuán))有限責(zé)任公司,黑龍江 齊齊哈爾 161000)

        微型移動(dòng)龍門式數(shù)控銑床的主要結(jié)構(gòu)存在不足之處,為了解決這一問題需要將拓?fù)鋬?yōu)化、正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法等作為設(shè)計(jì)調(diào)整的主要依據(jù),首先需要建立本體的有限元模型,再結(jié)合當(dāng)前的加工情況進(jìn)行靜力學(xué)分析,從而得出位移和應(yīng)力云圖的主要內(nèi)容和基本結(jié)論。通過模態(tài)化分析,來了解前十階模態(tài)所具有的頻率和主振類型,通過對有限元結(jié)果的分析,運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化原理,將其所具有的最小應(yīng)變能力作為主要的目標(biāo)函數(shù),并且設(shè)計(jì)好立柱的整體質(zhì)量來作為主要約束條件,對當(dāng)前所采用的微型銑床立柱進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。同時(shí)還可以采用正交實(shí)驗(yàn)的方式,來保證工作臺(tái)的自重下最大位移程度,控制好T形槽的大小,以及槽與槽之間的間距,安排好工作臺(tái)建設(shè)的厚度,將工作臺(tái)支承面積作為主要的設(shè)計(jì)變量,從而提高工作臺(tái)的工作能力,保證優(yōu)化后機(jī)體的正常運(yùn)行,通過有限元仿真實(shí)驗(yàn),來提高優(yōu)化后整機(jī)的靜態(tài)性能。

        1 本體有限元模型的建立

        在進(jìn)行有限元模型創(chuàng)建的過程中,需要充分的考量有限元網(wǎng)格的計(jì)算準(zhǔn)確率和精度,因此需要對銑床的幾何模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化,減少給電機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)對機(jī)床運(yùn)行所產(chǎn)生的影響,要將主軸電機(jī)作為鋼體,摘除螺紋孔,控制好部分加工角的一些細(xì)小問題,保證各部件之間的有機(jī)結(jié)合。通常我們會(huì)在連接單元TIE,通過八節(jié)點(diǎn)、六面體的但愿模型來對機(jī)床的本體進(jìn)行區(qū)域和網(wǎng)格性劃分,從而得到合理的有限元網(wǎng)絡(luò)模型。確立靜力學(xué)的分析參數(shù)根據(jù)銑削力經(jīng)驗(yàn)公式:

        在整個(gè)計(jì)算公式中Fz為切向切削的分力,C Fz為銑削力所得的系數(shù),ap為切削的深度,af為每齒間提供的進(jìn)給量,ae為銑削的寬度,z 為銑刀的齒數(shù),do為銑刀的外徑,kFz為銑削的力修正系數(shù),在進(jìn)行刀具選擇的過程中一般會(huì)選用直徑銑刀的外徑為 10mm 的具有4齒的平底圓柱高速鋼銑刀,銑削材料主要為碳鋼,刀具一般會(huì)沿 X 的方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng),取最后的數(shù)值為 C Fz= 641,ap= 0.5mm,af= 0.2mm,ae= 0.05銑刀的外徑,k Fz= 1,根據(jù)計(jì)算公式最終求得 Fz= 30.6N

        2 靜力學(xué)分析

        在微型銑床道具的使用過程中,刀位點(diǎn)大多數(shù)都處于X、Y、Z三個(gè)方向,由上述參數(shù)求得的結(jié)果可知三個(gè)方向分別施加30.6N的力,并且在機(jī)床的質(zhì)點(diǎn)添加向下的重力,保證加速度為9800mm/s2,通過靜力學(xué)內(nèi)容的分析,通過計(jì)算內(nèi)容來得出最終演示結(jié)論,我們可以將綜合位移設(shè)定為8.42×10-4mm保證機(jī)床運(yùn)行的最大應(yīng)力為0.16MPa。

        在進(jìn)行模型創(chuàng)建的過程中,還需要結(jié)合國際化發(fā)展慣例,一般情況下,45鋼的強(qiáng)度處于355MPa為了更好的滿足銑床運(yùn)行過程中的發(fā)展需求,我們可以通過分析銑床x和y軸的剛度情況來保證主軸的剛度。最終的分析結(jié)果為:因?yàn)閤軸的機(jī)架和立柱之間的連接板剛度不強(qiáng),因此x和y軸的剛度較弱,X軸的機(jī)架和立柱之間的連接部分尺寸過小,無法滿足銑床的穩(wěn)定運(yùn)行需求。

        3 模態(tài)分析

        我們需要通過適當(dāng)?shù)那蠼夥绞絹硖崛∏笆A模態(tài)頻率和主要振型,微型龍門銑床的前十階的固有頻率之間具有較大的差距,因?yàn)闄C(jī)床的整體具有一定的抗震能力,工作臺(tái)如果一旦發(fā)生變形,就會(huì)直接影響到工件加工所具有的精準(zhǔn)性,因此需要明確,工作臺(tái)是機(jī)床的重要結(jié)構(gòu)部件。在進(jìn)行前十階的固有頻率和主振型分析過程中,經(jīng)常發(fā)現(xiàn)前六階都是工作臺(tái)的振動(dòng)變形情況,并且震動(dòng)的幅度較大,在了解這一問題產(chǎn)生的主要原因時(shí),我們可以得知工作臺(tái)所具有的原始剛性不足。

        除此之外,工作臺(tái)的立柱上的床身還會(huì)發(fā)生扭振的情況,從而導(dǎo)致機(jī)床的刀具出現(xiàn)擺動(dòng)幅度較大的問題,影響到銑削的精度,通過實(shí)驗(yàn)分析可以得出結(jié)論,之所以產(chǎn)生這些問題,都是因?yàn)榱⒅蛒軸之間的連接部分,具有尺寸較小的問題,造成連接部位之間的剛性不足,從而影響了零件加工的整體質(zhì)量,為了解決這一問題,需要適當(dāng)?shù)脑龃蠊ぷ髋_(tái)所具有的剛度,保證立柱和x軸床身的連接部位剛度符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

        4 工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

        我們現(xiàn)已明確工作臺(tái)式機(jī)床設(shè)計(jì)穩(wěn)定性的重要影響部分,因此在進(jìn)行工作臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)的過程中,可以采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方式來全面提高機(jī)床的加工精度,首先,在施工開始之前,需要將工作臺(tái)的進(jìn)度調(diào)整作為主要的優(yōu)化目標(biāo),實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要是依靠靜力學(xué)現(xiàn)有的規(guī)定來對于工作臺(tái)進(jìn)行最大位移。同時(shí)需要對工作臺(tái)的T型槽大小,以及梯形槽之間的間距,工作臺(tái)本身所具有的厚度,工作臺(tái)支撐端邊的主要長度,進(jìn)行詳細(xì)的分析和明確,從而制定出正交實(shí)驗(yàn)表,了解不同的因素對目標(biāo)函數(shù)所造成的運(yùn)行影響,提出最優(yōu)的組合水平數(shù)值。

        5 優(yōu)化后的有限元分析

        在對微型龍門銑床進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整之后,需要對機(jī)床本身的靜、動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行詳細(xì)的分析,通過對優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)模態(tài)來了解機(jī)床低階頻率所發(fā)生的變化,全面提高機(jī)床的整體機(jī)動(dòng)性。一般情況下,我們可以將刀具的表面分為不同的兩個(gè)區(qū)域,首先是磨損區(qū)域,通過對磨損區(qū)域發(fā)生現(xiàn)狀的對比,來了解不同元素所造成的加工問題,通過研究表明,來了解刀具上的粘著層主要是為了覆蓋刀具表面所產(chǎn)生的磨痕,對刀具的使用產(chǎn)生保護(hù)效果,當(dāng)其厚度變薄弱之后磨痕就會(huì)顯得更加明顯。長此以往,會(huì)發(fā)生粘著層剝離的情況,降低刀具的使用壽命,在實(shí)驗(yàn)和優(yōu)化的過程中,需要注重本體有限元模型的建立,對靜力學(xué)計(jì)算內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)的分析,從而得出相應(yīng)的模態(tài),通過模態(tài)的了解和探討,來明確工作臺(tái)和立柱的主要結(jié)構(gòu)優(yōu)化內(nèi)容,優(yōu)化完成后再通過有限元的模型建立進(jìn)行第二次分析。

        6 總結(jié)

        微型移動(dòng)龍門式銑床通常被用于小型零件的加工,想要全面提高零件的加工質(zhì)量,就需要通過適當(dāng)?shù)姆绞絹硖岣呶⑿妄堥T式銑床所具有的剛性,調(diào)整好加工精度,對機(jī)床的本體性結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面優(yōu)化,同時(shí)在進(jìn)行機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過程中,很多專家學(xué)者都做了相應(yīng)的研究。最后得出結(jié)論,拓?fù)鋬?yōu)化與有限元仿真相結(jié)合的方式,更有利于機(jī)床的立柱優(yōu)化,建設(shè)立柱的最佳結(jié)構(gòu)模型,來對機(jī)床的床身進(jìn)行模擬態(tài)勢分析,結(jié)合分析的主要結(jié)果來重新設(shè)計(jì)床身的橫梁和立柱。綜合型的優(yōu)化技術(shù),能夠有效提高機(jī)床的床身結(jié)構(gòu),因此,不能局限于單個(gè)補(bǔ)件的優(yōu)化,還需要對多個(gè)關(guān)鍵部件進(jìn)行綜合性考量,改變傳統(tǒng)的機(jī)床結(jié)構(gòu),提高機(jī)床的剛度和精度。

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