為了滿足國內對航空發動機機匣加工專用設備的 需求,研發了大功率、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構,該加工中心 具有很高的剛性[1],不但滿足了大功率強力銑削的要 求,而且其緊湊的結構極大地提高了航空發動機機匣 的加工效率。該機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 此該立柱應具有較強的抗壓、抗扭和抗振的能力,其 靜動特性的優劣直接影響到整個機床的加工性 能[2 - 3]。采用傳統經驗設計的立柱,其結構尺寸和質量較大,易造成材料的浪費和成本的增加,需要對立 柱進行靜、動態分析, 確定立柱薄弱部位和方向[4 - 5],再對其進行優化。目前立柱的優化方法很多,例如通過對不同筋板布局進行類比擇優的方法[6],采用基于遺傳算法的多目標優化方法[7],以及采用拓撲優化與尺寸優化相結合的優化方法[8]等。
文中以雙主軸銑削加工中心的立柱為研究對象, 對其進行了靜力、模態和諧響應分析,確定立柱靜、動剛度薄弱和不足之處; 根據分析結果,建立多目標優化模型,通過多目標遺傳算法和靈敏度分析進行優 化設計,最后根據最大峰值響應情況確定了最優方案。
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構, 并設置立式、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 最高轉速為 4 500 r / min,立柱與滑鞍采用具有高剛度的滑動導軌連接。
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行簡化處理。
將三維模型連接到 ANSYS Work- bench ( AWB) 中進行前處理,在立柱導軌上建立受力面。設置材料為 HT300, 密度為 7 350 kg / m3 , 彈性模量為 130 GPa, 泊松比為0. 27。以立柱最小特征尺寸為依據設置網格尺寸為 80 mm,立柱的底部、與床身連接處的邊界條件設置
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4 結束語
通過對雙主軸銑削加工中心立柱進行靜力分析, 確定了立柱靜剛度薄弱的方向; 由模態和諧響應分析,確定了立柱在動載荷的作用下,前 3 階固有頻率的響應較大,其動態特性存在不足; 根據分析結果, 建立了多目標優化模型,由多目標遺傳算法和靈敏度 分析進行了優化,最后根據立柱最大峰值響應的情 況,確定了最優方案,最終使立柱總變形量減小了5. 5% ,質量減少了 1. 2% ,前 3 階頻率加權平均值增加了 2. 17% , X、Y 方向峰值響應分別減小了75. 5% 、75. 44% ,提高了立柱靜動剛度、減小了質量。
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