HDL-50加工中心关键件静动态特性分析及结构优化设计

摘要

高档数控机床是现代制造业的主流加工设备，而加工中心是高档数控机床中加工效率最高、生产批量最大的产品之一。制造业的飞速发展对加工中心提出了高速、高效、高精以及高可靠性的性能要求。机床的静动态特性主要取决于机床关键结构件的静动态特性，然而传统设计方法主要靠设计员的经验，这已经成为制约加工中心性能提升的主要因素，因此提高关键件的静动态特性也成为提高加工中心性能的有效途径。
　　本文依托“高档数控机床与基础制造装备”国家重大科技专项项目，以项目所研发的HDL-50卧式加工中心为研究对象，目的是探究一种针对高档数控机床的高刚度、轻量化的设计方法。为此，本文开展了如下的研究工作:
　　首先，本文计算了刀具实际工况下的最大切削载荷，并根据卧式加工中心的结构形式计算得到加工中心各个关键件的外载荷;根据载荷结果建立卧式加工中心关键件的有限元模型，并对卧式加工关键件进行静动态特性分析，以确定各关键件性能的薄弱环节，为后续结构优化设计提供参考。
　　其次，对卧式加工中心各关键件采用单点激振、多点拾振的方法进行模态试验分析，获得了关键件的各阶模态参数;对比分析试验结果与有限元分析结果，验证有限元模型的正确性。
　　再次，针对多种工况对卧式加工中心关键件进行拓扑优化设计，确定多种工况下的结构的最优的载荷传递路径;根据拓扑优化得到的最优载荷传递路径，对卧式加工中心关键件进行重建，得到关键件的概念模型。
　　最后，通过灵敏度分析，确定概念模型中新增筋板的尺寸和位置对机床关键件性能影响大小，并将灵敏度较大的参数作为设计变量，对概念模型进行尺寸优化设计;根据尺寸优化结果对卧式加工中心关键件的概念模型进行重建，最终得到关键件的优化结构，对优化后结构进行静动态特性分析并与原结构进行对比，分析结构优化设计的效果。