基于响应面分析的双主轴龙门加工中心横梁截面优化设计


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为了满足航空发动机机匣加工需求,湖北万盟数控加工中心集团公司开发了大功率、双主轴龙门式铣削加工中心,提高了机匣的加工效率。由于原设计采用传统的方法,为了满足横梁的高刚度和铸造工艺要求,留有过大的安全系数,造成了横梁截面尺寸过大,因此必须对加工中心的结构进行优化设计。

龙门框架静动特性的优劣直接影响了加工中心的加工

精度,其刚度和强度的薄弱部位主要集中在横梁上。横梁内部纵横交错的筋板决定了横梁抗弯、抗扭和抗振的能力,改变筋板布局虽然能很好的改善动静特性m,但也增加了重量和铸造难度。采用单目标或多目标优化设计u,能达到多个性能特性的最优,但横梁的外形尺寸并没有改变。目前对横梁截面的优化主要是采用新的外形结构和导轨布置m,这对设计者的经验要求高且变化大,不易实现^

本文以该公司的双主轴龙门式铣削加工中心的横梁为研究对象,对双主轴龙门加工中心的横梁截面进行优化设计。在优化设计中,结合有限元分析结果,在不改变横梁内部筋板布局和外部导轨布置的前提下^寸横梁截面进行了优化改进,最后采用正交实验、灵敏度分析和基于响应面分析优化算法相结合的方法,对横梁进行了尺寸优化设计,优化结果使横梁在满足设计要求的前提下,有效的减少了横梁的质量和截面面积,减少了制造成本,提高了产品的竞争力。

1原横梁的动静力学分析

本文研究的横梁是双主轴龙门加工中心重要的支撑部件,如图1所示,该加工中心采用立卧双主轴的布置形式,立轴的F, Z方向行程分别为2650mm、1000mm,最高转速为4500r/min横梁与滑鞍采用具有高刚度的滑动导轨连接。

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结束语:

(1)  在不改变原横梁导轨布置的前提下,对横梁截面进行了改进,有效地减小了横梁截面尺寸。

 

(2)  通过灵敏度分析,建立了响应面模型,最后基于响应面模型的分析采用了单目标的优化确定了横梁截面尺寸的优化匹配值,使横梁截面面积减少了18. 81% ,横梁总质量减少了 11% ,第_阶阶频率提高了 2. 8%,达到了优化的目的。

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