SZJY-6数控镗铣床关键件的特性分析及拓扑优化设计

摘要

随着制造业的快速发展，需要大量的数控机床设备，尤其对于高端装备的研制，更需要精密的数控机床来支撑，数控机床应用范围广，如航空航天、船舶、核电等装备制造业。数控机床的性能指标主要从数控机床的静态和动态特性两方面进行评价的。数控机床的静态和动态性能的好坏将直接影响机械加工质量和数控机床的稳定性。而对数控机床的加工质量和稳定性的影响主要表现在数控机床的关键部件的静态和动态特性上，因此获得数控机床的关键部件的静态和动态性能指标，对评价数控机床的性能，具有重要的意义。
　　本文以 SZJY-6数控镗铣床的主轴和主轴箱为研究对象，对主轴和主轴箱进行静态分析和动态分析及对主轴箱的结构进行轻量化设计。主要内容包括：
　　(1)建立 SZJY-6数控镗铣床的主轴和主轴箱的三维模型。通过 CATIA三维建模软件，依据主轴和主轴箱原有的尺寸，完成主轴和主轴箱的三维实体模型的构建。
　　(2)对主轴和主轴箱的模型作合理的简化。在不影响求解精度的情况下，对主轴和主轴箱作合理的简化。
　　(3)构建主轴和主轴箱的有限元模型。将主轴和主轴箱导入 ANSYS Workbench中，通过设置单元类型，选择网格划分的方式，对主轴和主轴箱进行网格划分，从而完成主轴和主轴箱的有限元模型的构建。
　　(4)对主轴进行静力学分析、模态分析和谐响应分析，及对主轴箱进行静力学分析及模态分析。分别得出主轴和主轴箱的位移和应力云图，及主轴的六阶固有频率和幅频曲线和主轴箱的六阶固有频率。分析结果表明主轴和主轴箱具有良好的刚度、强度和抗振能力，而主轴箱的设计过于保守，需要对主轴箱的结构进行轻量化设计。
　　(5)选取拓扑优化的方法对主轴箱进行轻量化设计。通过将质量设置为目标函数，以施加的切削力和位移为边界条件，对主轴箱进行优化，结果显示主轴箱优化后的重量相比主轴箱优化前的重量减轻了9％。对优化后的主轴箱进行静力学分析和模态分析，通过将优化后的主轴箱的刚度、强度和固有频率和优化前相对应的参数进行对比，从而验证了主轴箱拓扑优化后结构的合理性。
　　综上，通过对 SZJY-6数控镗铣床的主轴和主轴箱进行静态和动态的分析，结果表明主轴和主轴箱具有良好的刚度、强度和抗振能力。通过采用拓扑优化的方法对主轴箱进行轻量化设计，通过与优化前相应的参数进行对比，结果表明虽然主轴箱优化后的刚度、强度和一阶固有频率有所降低，但远远满足实际工况的要求，从而验证了优化后主轴箱的合理性，实现了主轴箱的轻量化设计。同时本文的研究方法对于同类机床的研究提供了重要的参考价值。

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附表索引

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 课题的研究现状及发展趋势

1.3 课题的研究方法和内容

1.4 本章小结

第2章 有限元理论及优化设计方法

2.1 有限元法简介

2.2 机床有限元动态分析的原理

2.3 结构优化设计方法及应用

2.4 本章小结

第3章 主轴和主轴箱的工况确定及三维模型的构建

3.1 SZJY-6数控镗铣床的简介

3.2 主轴及主轴箱的概述

3.3 主轴和主轴箱的工况的确定

3.4 主轴和主轴箱的三维模型的构建

3.5 本章小结

第4章 主轴的静态和动态分析

4.1 有限元软件的简介

4.2 主轴的静力学分析

4.3 主轴的模态分析

4.4 主轴的谐响应分析

4.5 本章小结

第5章 主轴箱的静态和动态分析

5.1主轴箱有限元模型的构建

5.2 添加约束

5.3 主轴箱的静力学分析的结果

5.4 主轴箱的模态分析

5.5 本章小结

第6章 SZJY-6 数控镗铣床主轴箱的拓扑优化设计

6.1 引言

6.2 结构拓扑优化

6.3 SZJY-6数控镗铣床的主轴箱的拓扑优化设计

6.4 主轴箱优化前后静力学分析的对比

6.5 主轴箱优化前后的前六阶模态对比

6.6 本章小结

总结与展望

总结

展望

参考文献

致谢

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