高速卧式加工中心床身的轻量化设计研究

摘要

随着科学技术的快速发展，高档数控机床正向高速度、高精度、高效率、复合化方向发展，具有诸多优点的高速卧式加工中心是现代数控机床发展方向之一。加工中心能实现复杂零部件在一次装夹后完成几乎全部加工工序的功能，可以大幅度提高生产效率和加工精度，是发电、船舶、汽车、航空航天、高精仪器等民用工业和军工部门迫切需要的关键加工设备，具有广泛的发展前景。
　　 床身是高速卧式加工中心的关键基础支撑件，而且床身的结构尺寸及重量较大，其本身的静动刚度、抗震性以及热稳定性直接影响到整机的工作性能。本文结合国家重大专项高速卧式加工中心新产品的项目开发，全面论述了机床总体方案的拟定过程和设计方法，分析其实际的工作状况，设计性能优良的床身结构，最终确定切合实际的最优开发方案。主要研究内容如下：
　　 (1)提出高速卧式加工中心整机和床身的设计方案。分析了高速卧式加工中心床身的设计要求以及机床的各项性能指标，综合并吸收了国内外高速卧式加工中心的设计方法、优化技术和加工工艺流程。按照模块化设计的原则，分析其床身的设计指标和性能，建立了该部件的三维PRO/E实体模型，并将其导入AWE分析软件中，建立有限元分析模型，为床身静动态性能分析奠定了基础。
　　 (2)高速卧式加工中心床身的静动态性能分析。根据床身主要的受力如滑鞍、刀库以及加工过程中的切削力，通过静力学分析，直观展示了床身结构的应力场和位移场。并对加工中心的模态进行了研究，直接显示了结构的固有频率和振型，为床身轻量化动态设计的提供了依据。
　　 (3)高速卧式加工中心床身的轻量化设计。综合各项设计参数，建立床身的拓扑优化模型，包括拓扑优化空间的构建、边界条件的定义和拓扑优化参数的设置。根据拓扑优化的计算结果，得到其材料受力分布基本构架，依照制造工艺的要求，对拓扑优化结果进行可制造化处理，并充分考虑其设计要求，在满足各项性能的情况下获得结构优良的轻量化床身。