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雙主軸銑削加工中心立柱的靜態(tài)動態(tài)分析及優(yōu)化
閱讀：134 發(fā)布時間：2020-8-10 為了滿足國內(nèi)對航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣加工設(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 靜動特性的優(yōu)劣直接影響到整個機(jī)床的加工性 能［2 － 3］。采用傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計的立柱，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，需要對立 柱進(jìn)行靜、動態(tài)分析， 確定立柱薄弱部位和方向［4 － 5］，再對其進(jìn)行優(yōu)化。目前立柱的優(yōu)化方法很多，例如通過對不同筋板布局進(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象， 對其進(jìn)行了靜力、模態(tài)和諧響應(yīng)分析，確定立柱靜、動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，后根據(jù)大峰值響應(yīng)情況確定了方案。
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 高轉(zhuǎn)速為 4 500 r / min，立柱與滑鞍采用具有高剛度的滑動導(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