龙门加工中心横梁轻量化设计


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 前言:

 

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原横梁静态模态分析

对于横梁等大型零部件,其内部的筋板结构设计得是否合理,关系着横梁系统,甚至整个加工中心系统的加工性能。动梁龙门加工中心的横梁作为运动与支承部件,其静动态性能对加工中心加工精度影响重大,因此,针对横梁内部筋板结构进行设计与优化。如图3所示,为原横梁结构图,其中横梁内部筋板结构为“米”型,筋板厚度为30 mm因为滑座组件(包括滑座、主轴箱、滑枕等在横梁上移动的行程范围仅为图中所示的L区域,因此在对横梁进行优化设计过程中仅对横梁L区域段的筋板结构进行优化设计。为提高有限元仿真分析的效率与准确性,分析时,仅

将横梁导入分析软件,此夕卜,去除横梁模型上不必要的孔和细小零件「-101,其中横梁材料属性设置为:密度7250kg/m3,弹性模量120GPa,泊松比

0.    27,环境温度22^;网格划分时设置相关度为100%,网格大小0.05 m如图4所示,将滑座组件的重力对横梁的作用效果等效为对应上下导轨面的正压力厂2和尸3,将滑座组件重力对横梁的扭转作用等效为上导轨内侧面和下导轨外侧面的力^和尽,将滚珠丝杠对横梁的托举力2&作用等效为对应面的固定约束,将横梁后侧液压夹紧装置的作用效果等效为对应面的固定约束。

将横梁三维模型导入ANSYS中,仿真分析横梁在非工作状态下的静动态特性,如图5所示为原横梁有限元分析最大变形云图和最大应力云图,其中最大变形量为

36.109 |jLm,位置在横梁中间部位,最大应力为4.4558 MPa虽然以上两指标均可满足出厂设计要求,但是最大变形量仍然有提高的空间。此外,最大应力远小于材料HT300的许用应力,因此,在后续的优化设计中可将最大应力作为次要评估指标。

对横梁进行模态分析,分析结果如图6所示,其中一阶固有频率为138.68 Hz,然而外在的激振频率为〇~1〇〇 Hz,因此该横梁不会发生共振现象,所以,在后续的优化设计中可将一阶固有频率做为次要评估指标。其中原横梁一阶固有频率振型为沿Z轴平动,说明横梁在受到外载荷G骨板组件及切削力)作用下,当激振频率与固有频率相近时,发生共振,且易发生沿Z轴方向的倾斜翻转,从而损坏横梁及其它部件的结构,因此,实际生产过程中应该避免加工中心处于激振频率较高的环境中或远离振动频率较高的机械设备。

3横梁结构优化

3. i横梁筋板结构优化设计

横梁筋板结构对横梁的静动态特性均有很大的影响,文中对横梁的筋板结构进行了优化设计,在筋板厚度不变的情况下,即筋板厚度为30 mm将筋板结构设计成如图7所示结构,即“十”型结构。

3.2横梁支撑筋板结构优化设计

由图5的横梁静力学分析云图可知,横梁上导轨变形


最大,且最大变形位置在横梁上导轨中间部位,上导轨结构类似于悬臂梁结构,这种结构最大的缺点是底部弯矩大,易发生较大的扭转变形,而针对这样的结构,简单有效的方法是在悬臂梁的下端部增加加强筋板。结合横梁自身结构特点,为降低其最大形变量,将横梁上导轨下侧的支

撑筋板倾斜设计,如图8所示,优化前横梁上导轨下侧支撑筋板水平设计没0°),优化后将其倾斜55。设计,即 0=55。。

4优化结果对优化后

的横梁进行有限元仿真分析,并对优化前后的各项性能进行比较,结合1、2节的分析,以最大变形量、质量作为主要评估指标,以一阶固有频率和最大应力作为次要评估指标,对优化后的横梁进行评估比较。如图9所示,为优化后横梁的有限元分析云图。

如表1所示为优化后横梁的前4阶固有频率及振型。

优化前后主要参数对比如表2所示。其中优化后横梁质量减轻最明显,减轻了499kg,最大变形量减少了7.84%,虽然一阶固有频率有稍微的减少,但是其值任然远大于激振频率,最大应力虽然增加了0.15 MPa,但是其值远小于材料HT300的许用应力;此外,横梁的XF、2向的形变量均有不同程度的减少,其中;f向横梁形变减少最大,减少了16.99%。综合以上分析说明优化后横梁上导轨面的扭转变形明显减少,刚性增加,横梁的静动态性能得到提高,优化设计的方法与角度是合理可行的。

2优化前后主要参数对比

参数

优化前

优化后

变化量

筋板结构

井,,字形

十,,字形

筋板厚度/mm

30

30

支撑筋板倾斜角度/ (。)

90

55

-35

总位移/|jLm

36.11

33.28

-7.84%

质量/kg

13 585

13 086

-499

阶固有频率/Hz

138.68

137.56

-1.12

应力/MPa

4.46

4.61

+0.15

尤向形变/|xm

3.59

2.98

-16.99%

F向形变/(Jim

26.81

24.74

-7.72%

Z向形变

24.37

22.27

-8.62%

 

对横梁进行建模和有限元分析,并对横梁的内部筋板结构和横梁薄弱环节的结构进行设计与优化,优化后在横梁最大应力与一阶固有频率基本不变的情况下,横梁质量减少了499 kg,最大变形量减少了7.84%,取得良好轻量化效果,为加工中心零部件的设计提供了方法参考。

文中虽然对横梁的筋板结构和横梁上导轨支撑筋板的结构进行了优化设计,使横梁的性能得到有效提高,在以后的研究中,如果将横梁的筋板厚度、横梁箱体的壁厚以及横梁的外形尺寸等作为优化设计的目标,并结合正交试验法和灵敏度法将进_步提高优化设计的效率与参数选取的准确性。

 

 

 

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