機(jī)床輕量化設(shè)計(jì)基本單元物理性能與數(shù)據(jù)庫的研究*

董惠敏 邢俏芳 王德勝 姜懷勝 王德倫 申會(huì)鵬 孫 穎

(①大連理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院，遼寧大連 116024;②大連機(jī)床集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧大連 116620)

隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和綠色制造理念的推進(jìn)，機(jī) 床在保精度的情況下實(shí)現(xiàn)機(jī)床支承件輕量化設(shè)計(jì)［1－3］已成為當(dāng)今時(shí)代的主旋律。機(jī)床支承件的輕量化設(shè)計(jì)可以分為兩步:①主體構(gòu)型設(shè)計(jì);②內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。此前，饒柳生［4］等人通過拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)某型號(hào)機(jī)床立柱筋板進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn);彭艷華等人提出了基本元結(jié)構(gòu)［5－8］設(shè)計(jì)方法，基于元結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能對(duì)支承件進(jìn)行可適應(yīng)性優(yōu)化設(shè)計(jì)。徐燕申［9］等人也曾提出元結(jié)構(gòu)和基本框架的概念，結(jié)合元結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性優(yōu)化和床身基本框架動(dòng)態(tài)特性優(yōu)化，總結(jié)出元結(jié)構(gòu)指導(dǎo)機(jī)床床身設(shè)計(jì)的規(guī)律。上述研究缺少對(duì)壁板結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行歸類處理，且缺少不同種壁板結(jié)構(gòu)單元性能分布規(guī)律的研究和機(jī)床輕量化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫的研究。

鑒于壁板類結(jié)構(gòu)單元性能規(guī)律和機(jī)床輕量化數(shù)據(jù)庫對(duì)支承件輕量化設(shè)計(jì)的重要性，本文調(diào)研工程中常用機(jī)床支承件內(nèi)部附著于壁板上的筋板結(jié)構(gòu)特征，定義壁板類結(jié)構(gòu)單元概念，形成單元型譜。研究型譜中的7種基本單元靜、動(dòng)態(tài)性能的分布規(guī)律。

1 支承件壁板類結(jié)構(gòu)單元數(shù)據(jù)庫分類

1.1 支承件輕量化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫

目前，機(jī)床支承件設(shè)計(jì)完全依賴于經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和類比設(shè)計(jì)，沒有一套合理的機(jī)床輕量化正向設(shè)計(jì)方法，歸根到底是缺少大量的數(shù)據(jù)支持。機(jī)床輕量化數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建將彌補(bǔ)缺少數(shù)據(jù)支持這項(xiàng)空白，指導(dǎo)支承件在確保精度情況下進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)綠色制造目的。

1.2 支承件壁板類結(jié)構(gòu)分析與單元定義

支承件是機(jī)床的基礎(chǔ)構(gòu)件，如床身、立柱、橫梁等。在機(jī)床支承件設(shè)計(jì)過程中，如何提高機(jī)床支承件的剛度一直是研究的重點(diǎn)，而提高支承件剛度的一個(gè)有效辦法就是改變筋板布置形式。

圖1為某型號(hào)立式加工中心的立柱，該立柱是一個(gè)典型的箱型件，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分解，可以看出，立柱a是由主框架b和內(nèi)部筋板c組成的，c為附著于立柱壁板之上、縱橫交叉形成“菱型”筋板布置。本文將支承件內(nèi)部具有一定規(guī)律的筋板稱之為單元。

由此，壁板類結(jié)構(gòu)單元定義為:板類件和箱型件中附著于壁板之上重復(fù)排列的可堪稱有一定高度的二維形狀的筋板組合。

表1 機(jī)床支承件壁板類結(jié)構(gòu)單元特征

表2 壁板類結(jié)構(gòu)單元類型型譜

壁板類結(jié)構(gòu)單元比空腔單元節(jié)省材料、減輕重量，而且，壁板類結(jié)構(gòu)單元能有效地增強(qiáng)支承件的靜態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能。壁板類單元在支承件中起著如下作用:①提高支承件局部承力特性;②提高支承件局部抗振性能;③提高支承件局部熱特性;④提高支承件工藝性。

1.3 壁板類結(jié)構(gòu)單元類型與特征

1.3.1 工程中壁板類結(jié)構(gòu)單元

在各類機(jī)床支承件中，壁板類結(jié)構(gòu)單元一般分布于床身、滑板等支承件中。表1所示為立式車床VTC6070、臥式加工中心MDH80以及車銑復(fù)合加工中心HTM40100h的各支承件壁板類結(jié)構(gòu)單元。

1.3.2 壁板類結(jié)構(gòu)單元類型型譜

依據(jù)壁板類單元結(jié)構(gòu)幾何特征的相似性，將支承件中壁板類結(jié)構(gòu)單元?dú)w納為表2中7種單元類型。

2 壁板類基本單元物理模型

綜合考慮壁板類基本單元的結(jié)構(gòu)特征和載荷約束條件，建立圖2所示單元組合幾何模型。

壁板類結(jié)構(gòu)單元的機(jī)床支承件多為鑄鐵鑄造件，在進(jìn)行有限元分析時(shí)，取材料彈性模量E為1.5×105MPa，泊松比λ 為0.25，密度ρ為7.4×10－9t/mm3。

2.1 同尺寸基本單元幾何模型

從圖2可知，壁板類結(jié)構(gòu)單元模型即是單個(gè)單元3×3陣列結(jié)果。以單個(gè)單元(表3)為例介紹模型結(jié)構(gòu)參數(shù)。

采用多變量控制、單變量變化的方法對(duì)單元幾何模型進(jìn)行建立。壁板類結(jié)構(gòu)單元型譜中的7個(gè)基本單元保證尺寸均相等(表4)，質(zhì)量作為單一變化量進(jìn)行建模。

表3 單個(gè)單元模型結(jié)構(gòu)參數(shù)表示

表4 同尺寸單元幾何模型結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 同質(zhì)量基本單元幾何模型

為研究同等質(zhì)量情況下，壁板類結(jié)構(gòu)單元模型的變形情況。取9.28 kg作為單個(gè)單元的重量，變化表3中的筋板寬度(如表5)建模。

2.3 基本單元有限元物理模型

表5 同質(zhì)量單元幾何模型結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.3.1 載荷約束邊界條件

基本單元的受載形式可分為拉、壓、彎、扭或是其組合5種形式。研究不同基本單元的靜態(tài)性能時(shí)，僅考慮拉、壓、彎(水平面彎、垂直面彎)和扭4種單一載荷形式作用下的靜動(dòng)態(tài)性能。

常見機(jī)床支承件間的連接為螺栓連接和導(dǎo)軌絲杠連接，研究基本單元的約束形式為底面部分約束。

基本單元載荷約束見圖3，載荷大小見表6。

表6 加載力大小

2.3.2 基本單元有限元網(wǎng)格靈敏度分析

根據(jù)計(jì)算機(jī)的計(jì)算規(guī)模，采用8節(jié)點(diǎn)的solid45網(wǎng)格單元即可保證壁板類單元的靜動(dòng)態(tài)性能計(jì)算精度。有限元單元網(wǎng)格尺寸減小提高了計(jì)算精度，耗費(fèi)了計(jì)算時(shí)間;相反有限元單元網(wǎng)格尺寸增大降低了計(jì)算精度，節(jié)省了計(jì)算時(shí)間，在分析過程中依據(jù)有限元網(wǎng)格靈敏度確定有限元單元網(wǎng)格大小。圖4以X字型壁板結(jié)構(gòu)單元抗拉性能計(jì)算為例，采用局部細(xì)化方法來進(jìn)行靈敏度的分析。

從圖4可以看出有限元單元網(wǎng)格尺寸為10 mm或是更小時(shí)，計(jì)算結(jié)果并沒有多大變化，趨于收斂，因此網(wǎng)格單元大小取10 mm。圖5所示為有限元模型網(wǎng)格劃分圖，表7為不同類型結(jié)構(gòu)單元有限元模型網(wǎng)格劃分的局部放大圖。

3 壁板類基本單元靜動(dòng)性能分布規(guī)律

3.1 同尺寸壁板類基本單元靜動(dòng)態(tài)性能

表7 有限元網(wǎng)格劃分局部圖

表8 同尺寸壁板類基本單元靜動(dòng)態(tài)性能分析結(jié)果

建立7種壁板類基本單元的同尺寸物理模型，進(jìn)行靜態(tài)拉、壓、彎、扭特性分析。考慮實(shí)際支承件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)基本單元受載形式，物理模型中間的壁板類基本單元是靜態(tài)性能研究的關(guān)鍵部位，提取中間壁板類基本單元在拉、壓、彎和扭形式下的最大位移和動(dòng)態(tài)頻率結(jié)果，結(jié)果如表8和圖6所示。

3.2 同質(zhì)量壁板類基本單元靜動(dòng)態(tài)性能

建立7種壁板類基本單元的同質(zhì)量物理模型，進(jìn)行靜態(tài)拉、壓、彎、扭特性分析?？紤]實(shí)際支承件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)基本單元受載形式，物理模型中間的壁板類基本單元是靜態(tài)性能研究的關(guān)鍵部位，提取中間壁板類基本單元在拉、壓、彎、扭形式下的最大位移和動(dòng)態(tài)頻率結(jié)果，結(jié)果如表9和圖7所示。

表9 同質(zhì)量壁板類基本單元靜動(dòng)態(tài)性能分析結(jié)果

4 結(jié)語

通過對(duì)機(jī)床支承件壁板類結(jié)構(gòu)單元特征進(jìn)行分析、定義，建立了壁板類基本單元型譜?；贏NSYS對(duì)型譜中7種基本單元進(jìn)行參數(shù)化建模，在同尺寸和同質(zhì)量模型下進(jìn)行7種壁板類基本單元的靜態(tài)性能與動(dòng)態(tài)性能分析，得到壁板類基本單元的性能分布規(guī)律直方圖，為機(jī)床輕量化設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫提供數(shù)據(jù)支持，指導(dǎo)機(jī)床支承件輕量化設(shè)計(jì)。結(jié)論如下:(1)同尺寸情況下，米字型基本單元的靜態(tài)拉、壓、彎、扭特性最好;(2)同尺寸情況下，N字型動(dòng)態(tài)性能最好，米字型基本單元比N字型基本單元的動(dòng)態(tài)基頻低1.29 Hz，位居第二;(3)同質(zhì)量情況下，N字型基本單元的靜態(tài)拉、壓、彎(垂直面彎)性能和動(dòng)態(tài)性能最好;(4)同質(zhì)量情況下，菱型基本單元的靜態(tài)拉、壓、彎(垂直面彎)性能和動(dòng)態(tài)性能最差，而其靜態(tài)水平抗彎性能最好;(5)形成機(jī)床輕量化設(shè)計(jì)壁板類基本單元數(shù)據(jù)庫。

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