机床主轴箱的固定联接及其结构方案设计

摘要

机床产业是制造业的基础，机床固定联接及其支承件结构设计是机床设计过程中的重要环节。随着制造业的发展，传统的经验类比法和评价指标已经不能完全满足机床固定联接及其支承件设计的需求。本文针对机床固定联接结构和支承件的结构设计问题，完成固定联接结构形式的分类，分析了固定联接结构形式和结构参数对联接结构性能的影响;基于拓扑优化思想，提出固定联接螺栓布置区域设计方法;以主轴箱为研究对象，建立联接结构参数多目标优化模型，并基于响应面法确定螺栓布置参数和联接结构尺寸;基于固定联接结构，结合支承件结构优化设计方法，完成了主轴箱结构方案设计。具体工作如下:
　　(1)对常见机床的固定联接结构形式进行分类，确定内嵌式和凸缘式结构形式。分析了不同固定联接结构形式和结构参数对联接结构性能的影响。通过对内嵌式和凸缘式两种形式的结构进行静态性能分析，发现内嵌式联接结构的法向（Z向）刚质比和侧向（Y向）刚质比均大于凸缘式结构;通过对比螺栓布置间距和螺栓直径对联接结构刚度的影响，发现螺栓布置间距是影响联接结构刚度的主要因素。
　　(2)考虑固定联接及其支承件的静、动态特性，采用拓扑优化技术开展载荷形式、大小对螺栓布置区域影响的研究。提出了固定联接螺栓布置区域优化设计方法，并完成主轴箱固定联接的螺栓布置区域优化设计。
　　(3)以主轴箱固定联接为对象，建立固定联接结构参数的多目标优化模型，并给出基于响应面法的联接结构参数优化设计流程。基于主轴箱的螺栓布置区域，提出三种螺栓布置形式，并采用WB平台的响应面法完成螺栓布置参数和联接结构尺寸的优化，获得固定联接新结构方案。通过对比分析发现固定联接新结构方案的主轴前、后端位移量分别减少了11％和32％，动态基频提高3％。
　　(4)以刚质比CQ、CH和基频作为主轴箱结构方案设计的静、动态性能评价指标，基于主轴箱新固定联接结构，结合支承件结构优化设计方法完成主轴箱结构方案设计。通过主轴箱新旧方案的性能对比分析，得到新方案相比旧方案减重2.4％，主轴箱前端刚质比提高10％左右，主轴箱后端刚质比提高2.3％以上。此外，主轴箱的基频也提高了3.5％。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题来源与研究背景

1．2 国内外研究综述

1．2．1 螺栓联接性能与结构优化设计研究现状

1．2．2 机床支承件结构设计概述

1．2．3 本课题组研究基础与成果概述

1．3 论文研究的主要内容

2 机床固定联接的结构形式分类与性能分析

2．1 机床固定联接的结构形式分类

2．1．1 内嵌式结构形式

2．1．2 凸缘式结构形式

2．2 机床固定联接结构形式的静态性能分析

2．2．1 有限元法基础

2．2．2 内嵌式和凸缘式结构简化模型

2．2．3 固定联接结构等效物理模型

2．2．4 内嵌式和凸缘式结构形式的性能分析

2．3 机床固定联接结构参数对其静态性能的影响

2．3．1 固定联接结构参数分析模型

2．3．2 螺栓布置间距与直径对固定联接结构刚度的影响

2．4 本章小结

3 机床固定联接的螺栓布置区域优化设计

3．1 拓扑优化理论基础

3．2 机床固定联接的螺栓布置区域分析

3．2．1 固定联接的螺栓布置区域与布置形式

3．2．2 固定联接及其支承件的简化物理模型

3．2．3 固定联接的螺栓布置区域分析

3．3 机床主轴箱固定联接的螺栓布置区域优化设计

3．3．1 固定联接螺栓布置区域优化设计流程

3．3．2 主轴箱工况分析与载荷求解

3．3．3 主轴箱固定联接的物理模型

3．3．4 主轴箱固定联接的螺栓布置区域优化结果

3．4 本章小结

4 机床主轴箱固定联接的结构方案设计

4．1 主轴箱固定联接结构参数多目标优化模型

4．1．1 优化数学模型

4．1．2 基于响应面法的固定联接结构参数优化流程

4．2 主轴箱固定联接的螺栓布置参数优化

4．2．1 螺栓布置形式的参数化有限元模型

4．2．2 螺栓布置参数优化与结果

4．3 主轴箱固定联接结构尺寸优化

4．3．1 内嵌式结构的参数化有限元模型

4．3．2 内嵌式结构尺寸优化与结果

4．4 主轴箱固定联接结构静动态性能分析

4．5 本章小结

5 机床主轴箱的结构方案设计与性能分析

5．1 基于固定联接结构的主轴箱结构方案设计

5．1．1 静动态性能评价指标参数

5．1．2 主轴箱物理模型分析

5．1．3 主轴箱概念模型

5．1．4 主轴箱结构方案设计

5．2 机床主轴箱结构方案静动态性能分析

5．2．1 主轴箱原始结构方案的静动态性能分析

5．2．2 主轴箱新结构方案的静动态性能分析

5．2．3 主轴箱结构方案性能对比

5．3 本章小结

结论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢