数控车床主轴箱力学性能分析和拓扑优化设计.pdf

· 现代设计与先进制造技术 · 张国泰 尹志宏 数控车床主轴箱力学性能分析及拓…… 43 数控车床主轴箱力学性能分析及拓扑优化设计 张国泰 ，尹志宏 (昆明理工大学 机电工程学院，云南 昆明 650500) 摘要：以HyperWorks为平台，对某型号数控车床主轴箱进行力学性霄分析，基于变密度法，以主 轴箱的相对密度为设计变量 ，主轴箱体积最小为 目标 函数 ，主轴箱静力变形和低阶模态为约束， 建立拓扑优化数学模型。基于该方法对数控车床主轴箱进行拓扑优化设计。在保证主轴箱性能 和不增加质量的前提 下，找到 了最优结构布局方案，为企业改进其结构提供 了理论依据 。 关键词 ：HyperWorks；主轴箱 ；变密度法；拓扑优化 中图分类号 ：TH122 文献标识码 ：A 文章编号 ：1672—1616(2012)19-0043-04 高刚车是数控车床的一个发展方向，可满足部 由文献 [2]可知，对倒圆、倒角等细节进行简化，可 分零件以车代磨的要求，提高机床加工精度和加工 使网格更均匀，减少数值计算误差，将主轴箱三维 硬质材料及淬硬材料的能力，主轴箱作为直接支撑 模型导入 HyperWorks，利用 HyperMesh对模型进 主轴的结构，它的变形对加工精度影响极大。因 行细节简化处理 。建立用于拓扑优化的模型，在原 此，对主轴箱进行结构优化设计，降低主轴箱静力 模型基本结构的基础上 ，将 内部空腔和外部加强筋 变形对保证加工精度具有重要意义。已有学者对 部位实体化。对模型简化处理后，将轴承座和螺栓 此做了相关研究，文献[1]通过改变筋板数 目和布 座部位与实体分割开，为定义优化区域做准备。2 局来提高主轴箱刚度，但是这种优化方法要求设计 种模型使用相同的建模参数和边界条件。 人员具有极为丰富的设计经验 ，而且很难找到最优 2．2 定义单元属性进行网格划分 的结构布局，容易造成材料的浪费。拓扑优化方法 主轴箱材料为灰铸铁 ，其杨 氏模量为 1．75× 能为设计者提供最佳材料布局方案，与文献 [1]采 10MPa，泊松 比为0．27，密度为 7．1×10kg／m 。 用的方法相比，不仅可以明显提高结构性能，更能 使用 HyperMesh提供的VolumeTetraMesher方法 做到材料的合理分配，利于降低成本，提高产品竞 进行网格划分，采用 10节点四面体结构单元，单元 争力。使用HyperWorks对某型号数控车床主轴箱 基本尺寸为 12mm，最小尺寸为2．4mm。 在力学性能分析的基础上进行拓扑优化 ，结果表明 2．3 定义载荷和约束 利用HyperWorks进行拓扑优化能够在保证力学性 选用在车床加工范围的极限位置附近、使用 能的前提下，得到最优设计方案。 YT15硬质合金车刀车削or=0．673GPa的结构钢 这一工况计算车削力，并考虑主轴组件 的重力、齿 1 主轴箱结构 形带对轴的压轴力。车刀几何参数：k=45。，。= 机床最高转速为 4000r／min，同步齿形带传 10。，A =0。，切削用量0。=5mm，f=0．5mm／r， 动，可无级变速。主轴箱为空腔结构，通过螺栓连 =0．67m／s。计算出的切削力和压轴力：F = 接固定在机床床身，前后轴承座内安装轴承用来支 4524N，F = 1811N ，Fr ：2328N ，F = 136N。 撑主轴组件 ，前后轴承座内表面的变形将直接导致 通过P