大型铝构件高速高效加工中心设计与轻量化研究

摘要

在轨道交通、公路客车、厢式货车等领域，采用全铝结构制造车体成为实现轻量化的一种必然趋势。随着大型整体空心复杂薄壁型材挤压技术及焊接技术的成熟，大型铝构件得到了广泛的推广与应用。近年来，我国高速列车技术得到了飞速发展，但在车体加工制造领域却存在着短板，机加工所用的大型装备仍然主要依赖于进口。针对于大型铝构件特点和加工工艺特点的国产加工中心研究相对落后，加工效率低下、高速驱动及动态稳定性等问题解决不彻底，在高速列车加工制造领域国产设备往往只用于辅助工序，这大大增加了车体加工的成本，降低国产高速列车在世界上的竞争力。因此研究开发具有自主知识产权的、适用于铝合金车体及其大型铝构件的加工机床具有重要意义。
　　本课题研究的加工中心是根据动车车体及大型铝构件结构特点、工艺特点，在继承传统金属切削龙门加工中心基本特点的基础上创新设计而成。对关键部件进行了轻量化设计，提高快移速度，同时通过拓扑优化设计提高了横梁的静动态特性，解决高速运行带来的动态稳定性问题。
　　根据加工中心的设计要求，采用模块化设计基本原理和功能分析法实现机床的总体方案设计，一次装夹可实现铣、钻、镗、扩、铰及锯切等加工。基于模块化设计的分离式立柱可快速更换，便于调整加工中心的Z向行程，同时降低了装配难度。对X/Y/Z向的直线驱动系统进行了设计，介绍了双电机伺服消隙系统的基本工作原理。
　　对原始的横梁方案进行了静动态特性分析，并对关键结合面进行了建模。立柱的螺栓结合面采用虚拟材料模型，通过计算获取了虚拟材料层的弹性模量、泊松比和密度;导轨结合面采用弹簧阻尼单元模型，获取了弹簧单元的刚度系数。在有限元建模过程引入了结合面的参数，分别研究了受重力和切削力的工况下，刀头沿Z向的位移变形情况，并分析了横梁的前6阶固有频率。
　　基于拓扑优化方法对横梁结构进行轻量化设计，提高横梁的动态性能，降低高速运行产生的振动。在Hypermesh中建立横梁及其组件的有限元模型并设置优化目标函数、约束函数以及边界条件。基于最大刚度设计的拓扑优化模型和特征值问题的结构动力学拓扑优化模型，对初始的横梁结构进行了改进，提高了整体刚性和固有频率，同时实现了横梁的轻量化设计。