常 備，王一品，劉澤宇，陳稀波，鄧亮明

（廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣州 510006）

0 引言

隨著制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，對(duì)加工中心的需求逐漸增加。因此結(jié)合現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法對(duì)加工中心進(jìn)行分析和優(yōu)化，對(duì)解決生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成本高有很大幫助。

國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)期對(duì)機(jī)床改良優(yōu)化進(jìn)行探索，隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的進(jìn)展，機(jī)床動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)逐漸成熟[1]，逐漸形成結(jié)合工況的拓?fù)鋬?yōu)化來解決工程問題[2]。優(yōu)化研究已逐步從設(shè)備的優(yōu)化改良階段步入生產(chǎn)設(shè)計(jì)階段，提高設(shè)計(jì)效率和科學(xué)性。本文將從分析和優(yōu)化兩個(gè)方面處理問題。將立柱進(jìn)行材料優(yōu)化分布改良，不僅實(shí)現(xiàn)加工難度降低、材料浪費(fèi)減少，還能提升加工中心的性能和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，將加工中心結(jié)構(gòu)大件進(jìn)行分析設(shè)計(jì)并完成輕量化。降低成本，提高企業(yè)利潤(rùn)。

1 立式加工中心立柱結(jié)構(gòu)模型建立

立式加工中心主要包括床身、主軸箱、立柱三大部分，其中立柱與床身以螺栓連接，主軸箱通過導(dǎo)軌在立柱上進(jìn)行進(jìn)給。對(duì)于立式加工中心，立柱是整個(gè)設(shè)備關(guān)鍵的基礎(chǔ)構(gòu)件。本文設(shè)計(jì)的加工中心立柱結(jié)構(gòu)加工方法為整體鑄造后機(jī)加工得到，內(nèi)部中空，外壁版內(nèi)側(cè)有筋板加強(qiáng)其剛性，筋板布局采用井字型加強(qiáng)。

1.1 立柱實(shí)體模型建立

立式加工中心由床身、主軸箱、立柱三大部分構(gòu)成，其中立柱與床身以螺栓連接，主軸箱連接在導(dǎo)軌上。在加工中心工作狀態(tài)，立柱作為主要承受載荷的機(jī)構(gòu)[3]，要對(duì)其強(qiáng)度和剛度進(jìn)行仿真測(cè)試。對(duì)加工中心立柱進(jìn)行測(cè)量后用SolidWorks建立模型，如圖1所示。

圖1 加工中心立柱

根據(jù)加工中心的工況和基本參數(shù)，整理出一些數(shù)據(jù)反映加工中心工作狀態(tài)的載荷和振動(dòng)情況，反映加工中心優(yōu)化時(shí)需要確定的強(qiáng)度和剛度要求。其基本參數(shù)參考如表1所示。

表1 立式加工中心基本參數(shù)

1.2 有限元模型建立

有限元模型的建立運(yùn)用到了CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程）技術(shù)，CAE 是現(xiàn)代設(shè)計(jì)中非常常用的參考，不僅將載荷對(duì)零件的影響模擬和仿真分析，而且能在設(shè)計(jì)階段就發(fā)現(xiàn)整個(gè)零件的薄弱部位并加以優(yōu)化改進(jìn)[4]。

對(duì)于立式加工中心，立柱是整個(gè)設(shè)備關(guān)鍵的基礎(chǔ)構(gòu)件。立柱不僅承受自重和主軸箱刀具盤等重量，還要承受切削時(shí)的切削力，因此必須保證其強(qiáng)度和剛度符合工作要求，以保證工作時(shí)的可靠性和穩(wěn)定性。因此需要對(duì)立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，以此判斷立柱的結(jié)構(gòu)是否符合工作要求。將SolidWorks模型進(jìn)行模型簡(jiǎn)化，刪除倒角、孔洞等影響不大但表面復(fù)雜的特征，導(dǎo)入ANSYS-workbench 中對(duì)模型進(jìn)行有限元分析，假定所有材料密度均勻分布，連接可靠[5]。

ANSYS提供了智能劃分網(wǎng)格功能，可以簡(jiǎn)化后直接導(dǎo)入ANSYS 仿真軟件中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于各個(gè)線條之間配合關(guān)系復(fù)雜，因此網(wǎng)格以就近的線段相似情況進(jìn)行劃分，適用于表面復(fù)雜的多表面自由劃分[6]。在選擇單元體時(shí)選擇四面體，確保有限元模型的處理精度。由于立柱結(jié)構(gòu)孔洞筋板眾多，表面復(fù)雜不規(guī)則，故對(duì)各個(gè)單元統(tǒng)一采用四面體網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

圖2 立柱結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

2 加工中心立柱結(jié)構(gòu)有限元分析

2.1 載荷分析

對(duì)加工中心進(jìn)行了分析，設(shè)定主軸箱工作位置進(jìn)給到立柱的導(dǎo)軌最上部且進(jìn)行銑削加工的極限位置，是立柱和主軸箱受載荷和形變最大之處。在此工況下，主軸箱和立柱結(jié)構(gòu)所受到的切屑力按該式計(jì)算。

式中：Fx為進(jìn)給時(shí)x方向受力，F(xiàn)y為進(jìn)給時(shí)y方向受力，F(xiàn)z為進(jìn)給時(shí)的z方向力受力。

將相關(guān)參數(shù)代入得：Fx=1330，F(xiàn)y=3600，F(xiàn)z=2216。

2.2 靜力學(xué)分析

在workbench中對(duì)模型設(shè)定約束和施加載荷，其中底部螺栓部位為和床身的連接處，以此設(shè)定為約束。導(dǎo)軌最上端為模擬的主軸箱極限位置，在此施加最大載荷。經(jīng)計(jì)算得到位移云圖和應(yīng)力分布圖，如圖3～4所示。

圖3 立柱結(jié)構(gòu)位移云圖

圖4 立柱結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖

從所得立柱的位移云圖可以得知，在載荷和力的作用下形成的位移，在導(dǎo)軌最上端為變形程度極值，x、y、z三個(gè)方向引起的不同位移表示每個(gè)方向?qū)τ休d能力的差異。立柱下端形變較小，且立柱頂部的變形最大，以此為依據(jù)對(duì)立柱的整體結(jié)構(gòu)和筋板分布拓?fù)鋬?yōu)化可以達(dá)到剛度提高和輕量化。

由所得立柱應(yīng)力分布云圖可知，立柱結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布狀況。應(yīng)力分布較為均勻，局部單元應(yīng)力集中，說明整體網(wǎng)格劃分較合適，能保證仿真精度。其中，立柱云圖中可看到和床身連接處螺栓附近和導(dǎo)軌下部處有應(yīng)力集中現(xiàn)象，這是由于內(nèi)部筋板和結(jié)構(gòu)分布不均勻所導(dǎo)致。但應(yīng)力集中情況對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)影響較小，遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力200 MPa。

3 立柱結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化及改進(jìn)

3.1 立柱結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化

通過拓?fù)鋬?yōu)化對(duì)立柱劃分區(qū)域并保留原導(dǎo)軌施加一定的約束和載荷，以此劃分可優(yōu)化的設(shè)計(jì)區(qū)域，通過不斷迭加得到可優(yōu)化材料的概念模型。以概念模型為指導(dǎo)進(jìn)行立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到立柱結(jié)構(gòu)模型[7]。

圖5 拓?fù)鋬?yōu)化云圖

圖6 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的立柱

使用仿真軟件HyperWorks，運(yùn)用其前處理模塊Hyper-Mesh 提供的有限元模型前處理功能進(jìn)行立柱結(jié)構(gòu)模型處理，對(duì)立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。對(duì)于優(yōu)化結(jié)果中密度大于0.5的單元予以保留，經(jīng)多次迭代后得到立柱優(yōu)化概念模型，以此去除部分對(duì)性能影響較小的材料進(jìn)行立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[8]。優(yōu)化密度云圖如圖5所示。

3.2 基于概念模型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合有限元分析和立柱的拓?fù)鋬?yōu)化概念模型，可由圖5中看出立柱結(jié)構(gòu)有部分可以去除的材料，以此為根據(jù)對(duì)立柱整體進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，移除部分材料和布置減重孔后，可以得到立柱整體的合理優(yōu)化。外輪廓的更改和內(nèi)部筋板排列方式更改后，得到的立柱模型如圖6所示。

對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)再施加工作狀態(tài)的約束和載荷，對(duì)立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析。立柱優(yōu)化前后的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比如表2所示?？梢缘弥⒅Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，靜剛度有所提高，同時(shí)完成減重，質(zhì)量減少了11.1%。

表2 優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比

4 結(jié)束語

本文對(duì)立式加工中心立柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元建模和分析，并對(duì)其進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)得到材料最優(yōu)化分布概念模型，基于此進(jìn)行設(shè)計(jì)得到新的結(jié)構(gòu)。經(jīng)過測(cè)試對(duì)比，提高其剛性的同時(shí)使其重量減輕了11.1%，完成了輕量化。