立式制动盘专用加工中心立柱多目标优化


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随着制动盘产业的高速发展,现代制动盘专用机床朝着高速、高效、专用、高精度的方向飞速发展,同时机床基础零部件的结构性能也在向科学性、合理性、轻量化研究领域逐步深入[1-2]。立柱和滑座(下座)作为机床系统中重要基础部件之一,起着支撑滑板、伺服电机、伺服刀塔以及连接床身的作用。其性能的优劣直接影响机床自身的稳定性、抗振性以及加工的精度和效率[3]。传统的经验设计已经满足不了现代机床的发展要求,为了提高机床的性能要求,需要对立柱滑座结构进行模态分析和静力分析,以便发现设计的薄弱部分以及进行改进优化。有限元法近年来飞速发展,广泛应用于各个行业。借助有限元软件ANSYS和有限元原理,对结构进行动静态分析,得到相应的应力、应变以及变形状态。在此基础上以立柱滑座的轻量化作为研究目标,利用响应面法、灵敏度分析的途径,对立柱滑座进行多目标优化。实现减轻结构重量的目标,提高结构的第一阶频率和刚度。1立柱和滑座模型的建立机床立柱采用铸铁HT300,其泊松比0.27,密度为7350 kg/m3,弹性模量为126 GPa。利用SolidWorks对机床立柱和滑座进行三维参数化建模,建模时忽略小于20mm的圆角、倒角等结构以及其他小的结构和特征[4-5],这些小的结构和特征在计算时占用大量内存和计算时间,从而影响分析精度。将建好的模型通过软件SolidWorks插件无缝连接到WorkBench中。对立柱滑座进行网格划分,考虑到计算精度要求和计算方便,采用Tetrahedrons方法,该方法可以利用自身特有的性质自动细化网格,从而提升网格质量,并通过控制网格的尺寸来保证划分的质量。模型采用30 mm的四面体进行网格划分,模型共划分单元120 601个,节点195 928个。划分后的有限元模型如图1所示。

随着制动盘产业的高速发展
,现代制动盘专用机床
朝着高速
高效
专用
高精度的方向飞速发展
,同时机床
基础零部件的结构性能也在向科学性
合理性
轻量化研
究领域逐步深入
[1-2]
立柱和滑座(下座)作为机床系统中
重要基础部件之一,起着支撑滑板
伺服电机
伺服刀塔
以及连接床身的作用
其性能的优劣直接影响机床自身
的稳定性
抗振性以及加工的精度和效率
[3]
传统的经验
设计已经满足不了现代机
床的发展要求,为了提高机床
的性能要求,需要对立柱滑座结构进行模态
分析和静力
分析,以便发现设计的薄
弱部分以及进行改进优化
有限元法近年来飞速发展
,广泛应用于各个行业
助有限元软件
ANSYS
和有限元原理
,对结构进行动静态
分析,得到相应的应力
应变以及变形状态
在此基础上
以立柱滑座的轻量化作为研究目标
,利用响应面法
灵敏
度分析的途径
,对立柱滑座进行多目标优化
实现减轻结
构重量的目标,提高结构的第一阶频
率和刚度
1
立柱和滑座模型的建立
机床立柱采用铸铁
HT300,
其泊松比
0.27
,密度为
7350 kg/m
3
,弹性模量为
126 GPa
利用
SolidWorks
对机床
立柱和滑座进行三维参数化建模
,建模时忽略小于
20
mm
的圆角
倒角等结构以
及其他小的结构和特征
[4-5]
,这
些小的结构和特征在计算时占用大
量内存和计算时间,
从而影响分析精度
将建好的模型通过软件
SolidWorks
件无缝连接到
WorkBench
对立柱滑座进行网
格划分,
考虑到计算精度要求和计算方
便,采用
Tetrahedrons
法,该方法可以利用自身特有的
性质自动细化网格
,从而
提升网格质量,并通过控制网格的尺寸来保证划
分的质
模型采用
30 mm
的四面体进行网
格划分,模型共划分
单元
120 601
个,节点
195 928
划分后的有限元模型如
1
所示

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结束语:

应用有限元软件SolidWorks对立柱滑座进行了参数化建模,并通过Workbench对其进行了模态、静力学分析,以及对其进行响应面分析和优化,找到了影响整体模型的关键设计尺寸,并利用优化后的参数对立柱和滑座重新建模,得到新模型的一阶频率是171.25 Hz提升了4.0%,质量减少9.8%。最大变形量有所提高,考虑实际工程应用,符合工程要求范围。结果表明,此次优化分析,提高了一阶频率,减少了立柱和滑座的质量,达到了轻量化的目的,同时新的立柱滑座满足设计要求。


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