论文部分内容阅读
某公司在生产的机械主轴龙门加工中心的基础上,开发出的一款高速龙门加工中心(电主轴结构形式),该机床的转速可达到18000～24000rpm,主要应用于高速切削,具有高速、高精度、高柔性、环保等特点,对机床的静动态特性有较高要求。本课题主要对该款高速龙门加工中心主轴箱部件进行静动态特性分析和结构优化(拓扑优化),对提高主轴箱的静刚度和结构的固有频率,减轻机床部件的重量具有重要意义。(1)对高速龙门加工中心电主轴用主轴箱的静动态特性研究的背景、意义及当前的国内外研究现状进行了整理和归纳,并对本文的主要研究内容和研究思路进行梳理,为后续的研究指明了方向,奠定了基础。(2)对原主轴箱的静态特性进行了分析。简要介绍有限元方法和静力学基本理论,为利用Ansys Workbench对主轴箱进行静动态特性分析打下理论基础。利用有限元软件对主轴箱的静力学特性进行了分析。结果显示静力变形及结构应力较大,需对原主轴箱部件进行拓扑优化和参数优化。优化的同时,还需要保证静刚度不降低的情况下,尽量提高结构的低阶固有频率,因此仍需对主轴箱进行动态特性分析。(3)对原主轴箱的动态特性进行了计算与分析。总结了利用有限元方法对机械零部件进行模态分析的基本原理和基本步骤。采用有限元方法对原主轴箱的前六阶模态进行了计算,结果表明其低阶固有频率较低,需做进一步的优化。(4)利用拓扑优化的方法对原主轴箱进行结构优化,以使其更好的满足电主轴机床的使用要求。介绍了拓扑优化的原理及数学模型,提出更加合理的结构优化设计要求。通过对箱体多余部分进行删减,前墙及侧壁厚度进行调整,筋的位置重新排布,后墙螺母座加强等优化措施,得到了主轴箱的结构优化设计方案,使箱体重量减轻了45kg。(5)对优化后的主轴箱静动态特性进行了分析。结果显示,与优化前的主轴箱相比,优化后的主轴箱的静力变形和变形趋势并未发生明显变化,最大变形量由原来的0.088333mm变为0.086499mm,降幅为2%,但优化后的主轴箱受到的应力整体分布更加均匀,最大等效应力由之前的9.8036MPa降低为8.3056MPa,降幅为15%,优化效果明显;模态对比分析显示,优化后主轴箱在不同行程,其固有频率均有6%～18%的提高。优化后结构重量减轻45kg,占主轴箱零件总重量的7.8%,优化效果良好。对优化前后的主轴箱实物进行动态特性测量试验,以验证有限元仿真及优化效果的可靠性。本文的研究为高速龙门加工中心电主轴用主轴箱的静动态特性分析与结构优化提供了参考和研究思路,为后续主轴箱的设计及改进工作奠定了坚实的基础。