BFPC填充结构桥式龙门加工中心横梁优化设计及其性能分析
发布时间：2021-01-21 09:12
随着现代科技不断进步,机床制造业不断沿着高速度、高精密、高自动化的方向发展,因此提高机床的静、动、热态性能及轻质性显得尤为重要。横梁是机床结构中极其重要的承载基础件,其静、动、热态性能和轻质性直接影响机床加工质量,同时也是具有减重潜力的关键件。而玄武岩纤维树脂混凝土（Basalt Fiber Polymer Concrete,简称BFPC）具有高比强度、高比刚度、高阻尼、线膨胀系数小、和易性好、热稳定性以及减振性好的特点,因此本文依托国家自然科学基金项目——“玄武岩纤维树脂混凝土机床基础件设计理论与关键技术研究”（51375219）,以某桥式龙门加工中心横梁为原型提出一种BFPC填充结构横梁的新构型,并对其进行结构设计、优化及静、动、热态性能分析,主要研究内容如下:（1）选取某型桥式龙门加工中心横梁作为研究原型,首先简介桥式龙门加工中心结构及基本技术参数;其次对原型横梁进行典型工况下的受力分析;最后对横梁进行静态性能、模态以及谐响应分析,为BFPC填充结构桥式龙门加工中心横梁的设计提供依据。（2）首先根据等刚度理论和轻质性原则设计BFPC填充结构横梁。其次以BFPC填充结构横梁外壳厚度...
【文章来源】：辽宁工程技术大学辽宁省
【文章页数】：92 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
树脂混凝土材料制造的高速加工中心Figure1.1Highspeedmachiningcenterofresinconcretematerial
辽宁工程技术大学硕士学位论文72原型横梁选取及性能分析龙门加工中心种类很多，按照移动方式可以分为龙门移动式（又称桥式）和工作台移动式。其中桥式龙门加工中心加工范围较大，主要通过横梁实现大的纵向位移，因此要求横梁具有较高的静刚度、动态载荷下抗振的能力，及轻质性和良好的热稳定性[1,24]，所以提高横梁的静、动、热态性能及轻质性将对改善机床加工精度和工作效率具有重要意义。因此选取桥式龙门加工中心横梁作为研究原型，本章首先简介原型加工中心结构及基本技术参数；其次对原型横梁进行典型工况下的受力分析；最后对横梁进行静态、模态及谐响应分析，仿真结果为下文BFPC填充结构龙门加工中心移动式横梁的设计优化提供参考。2.1原型龙门加工中心选取2.1.1原型龙门加工中心结构简介本文选取桥式龙门加工中心作为研究对象，如图2.1所示。该龙门加工中心的工作台固定在底座上，横梁、主轴箱和滑鞍构成龙门结构；桥式龙门加工中心组成主要包括横梁1、y轴进给电动机2、床身3、底座4、固定工作台5、x轴进给电动机6、主轴箱7、滑鞍8、z轴进给电动机9等。加工中心的主运动是主轴电机带动刀具做旋转运动，还有x，y，z三个方向上相互垂直的进给运动，x轴进给电动机驱动横梁在床身上实现x轴方向进给；y轴进给电动机驱动安装在横梁上的滑鞍进行y轴方向进给；z轴进给电动机驱动主轴箱在滑鞍上进行z轴方向进给。该加工中心广泛适用于飞机、轮船、汽车等机械产品以及精密模具加工，可完成铣削、镗孔、扩孔、铰、攻丝等多工序。主要技术参数如表2.1所示。图2.1桥式龙门加工中心模型Figure2.1Modelofbridgegantrymachiningcenter
辽宁工程技术大学硕士学位论文9（b）横梁三视图图2.2原型横梁结构Figure2.2Structureofprototypebeam2.2受力分析由于机床的种类和应用场合不同，因此在受力分析时所考虑载荷也不同。本文选取的龙门加工中心属于大型精密加工机床，其工作环境十分复杂，影响横梁加工精度的主要因素包括其自身重力、滑枕重力以及加工时的切削力。对横梁进行受力分析时，将其简化为简支梁结构，当滑枕处于横梁中间位置时横梁结构处在最差工况下，应力与变形最大，因此选取该典型工况进行载荷分析。选取该机床最常用的加工方式（铣削）计算切削力。2.2.1铣削力计算切削力是指加工中心加工零件的过程中刀具对工件的作用力，刀具刀齿受到抗力和摩擦力，影响着铣削力的大小和方向，因此首先计算出主切削力，由于机床、夹具设计的需要将主切削力分解为沿着工作台方向的3个分力。如图2.3所示，Fc为主切削力，平行于刀具的切线方向；Fo为轴向抗力，切削力在垂直方向上的分力；FfN为吃刀抗力，纵向进给方向上的分力。Ff为走刀抗力，工件进给方向上的分力。铣削力计算选取端铣中的对称铣削方式，选取的铣刀为硬质合金端面铣刀，所加工的零件材质为低碳钢(Gpa735.0b)，因此主切削力的计算公式[54]为：12.03.1p75.0z1.1e(789.3)81.9aFaKKnZdfFCc(2.1)
【参考文献】：
期刊论文
[1]悬吊式模态试验系统基频测试误差分析[J]. 吴松,郭其威,臧旭,徐腾. 振动与冲击. 2018(19)
[2]基于拓扑优化与多目标优化的机床底座结构设计[J]. 赵海鸣,蒋彬彬,李密. 机械设计与研究. 2018(04)
[3]机床主轴热设计研究综述[J]. 邓小雷,林欢,王建臣,谢长雄,傅建中. 光学精密工程. 2018(06)
[4]BFPC填充结构机床立柱设计及其性能分析[J]. 于英华,高级,王烨,张兴元. 机械设计与研究. 2018(02)
[5]基于正交试验的机床移动横梁多目标优化设计[J]. 鞠家全,邱自学,崔德友,任东,商爱坤. 机械强度. 2018(02)
[6]BFPC数控车床斜床身拓扑优化设计及其性能分析[J]. 于英华,孙苗苗,徐平,吴荣发. 机械科学与技术. 2018(07)
[7]基于正交试验、组合赋权-灰色关联的机床横梁优化设计[J]. 邱自学,鞠家全,任东,崔德友,刘传进. 振动与冲击. 2017(12)
[8]混凝土床身的有限元分析研究[J]. 徐燕. 智能制造. 2017(06)
[9]玄武岩纤维增强树脂混凝土机床立柱结构设计及其性能仿真[J]. 徐平,李永兴,于英华,梁宇. 辽宁工程技术大学学报(自然科学版). 2017(06)
[10]玄武岩纤维树脂混凝土阻尼特性研究[J]. 徐平,沈佳兴,于英华,陈宇,张兴元. 非金属矿. 2017(01)
博士论文
[1]机床用树脂矿物复合材料热膨胀及力学性能研究[D]. 张义.山东大学 2017
[2]基于热力耦合影响的高精机床静动态精度性能研究[D]. 邹海天.哈尔滨工业大学 2016
[3]钢纤维聚合物混凝土机床基础件静动态力学性能及损伤机理研究[D]. 徐平.辽宁工程技术大学 2006
硕士论文
[1]2V19重型立式车床工作台底座结构优化设计研究[D]. 杨帆.哈尔滨工业大学 2018
[2]精密数控磨齿机热特性建模分析和结构优化研究[D]. 刘佳兰.西安理工大学 2018
[3]零传动滚齿机热特性分析与建模仿真[D]. 翟文杰.太原理工大学 2018
[4]基于变形敏感度分析的机床整机刚度分配与零部件结构优化[D]. 杜雪飞.重庆理工大学 2017
[5]五轴联动龙门加工中心热变形分析及结构优化[D]. 邵灵芝.东南大学 2017
[6]平面磨床砂轮主轴—轴承系统热—结构耦合分析与试验研究[D]. 龙婷.湘潭大学 2017
[7]数控内齿强力珩齿机动态及热特性研究[D]. 李文浩.合肥工业大学 2017
[8]某型号卧式加工中心模态分析及优化设计[D]. 岳文斌.大连理工大学 2016
[9]基于Abaqus的车铣复合机床热特性分析及实验研究[D]. 严波.华中科技大学 2016
[10]树脂矿物复合材料精密车床床身结构强化及其优化设计[D]. 王文强.山东大学 2016
本文编号：2990884
【文章来源】：辽宁工程技术大学辽宁省
【文章页数】：92 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
树脂混凝土材料制造的高速加工中心Figure1.1Highspeedmachiningcenterofresinconcretematerial
辽宁工程技术大学硕士学位论文72原型横梁选取及性能分析龙门加工中心种类很多，按照移动方式可以分为龙门移动式（又称桥式）和工作台移动式。其中桥式龙门加工中心加工范围较大，主要通过横梁实现大的纵向位移，因此要求横梁具有较高的静刚度、动态载荷下抗振的能力，及轻质性和良好的热稳定性[1,24]，所以提高横梁的静、动、热态性能及轻质性将对改善机床加工精度和工作效率具有重要意义。因此选取桥式龙门加工中心横梁作为研究原型，本章首先简介原型加工中心结构及基本技术参数；其次对原型横梁进行典型工况下的受力分析；最后对横梁进行静态、模态及谐响应分析，仿真结果为下文BFPC填充结构龙门加工中心移动式横梁的设计优化提供参考。2.1原型龙门加工中心选取2.1.1原型龙门加工中心结构简介本文选取桥式龙门加工中心作为研究对象，如图2.1所示。该龙门加工中心的工作台固定在底座上，横梁、主轴箱和滑鞍构成龙门结构；桥式龙门加工中心组成主要包括横梁1、y轴进给电动机2、床身3、底座4、固定工作台5、x轴进给电动机6、主轴箱7、滑鞍8、z轴进给电动机9等。加工中心的主运动是主轴电机带动刀具做旋转运动，还有x，y，z三个方向上相互垂直的进给运动，x轴进给电动机驱动横梁在床身上实现x轴方向进给；y轴进给电动机驱动安装在横梁上的滑鞍进行y轴方向进给；z轴进给电动机驱动主轴箱在滑鞍上进行z轴方向进给。该加工中心广泛适用于飞机、轮船、汽车等机械产品以及精密模具加工，可完成铣削、镗孔、扩孔、铰、攻丝等多工序。主要技术参数如表2.1所示。图2.1桥式龙门加工中心模型Figure2.1Modelofbridgegantrymachiningcenter
辽宁工程技术大学硕士学位论文9（b）横梁三视图图2.2原型横梁结构Figure2.2Structureofprototypebeam2.2受力分析由于机床的种类和应用场合不同，因此在受力分析时所考虑载荷也不同。本文选取的龙门加工中心属于大型精密加工机床，其工作环境十分复杂，影响横梁加工精度的主要因素包括其自身重力、滑枕重力以及加工时的切削力。对横梁进行受力分析时，将其简化为简支梁结构，当滑枕处于横梁中间位置时横梁结构处在最差工况下，应力与变形最大，因此选取该典型工况进行载荷分析。选取该机床最常用的加工方式（铣削）计算切削力。2.2.1铣削力计算切削力是指加工中心加工零件的过程中刀具对工件的作用力，刀具刀齿受到抗力和摩擦力，影响着铣削力的大小和方向，因此首先计算出主切削力，由于机床、夹具设计的需要将主切削力分解为沿着工作台方向的3个分力。如图2.3所示，Fc为主切削力，平行于刀具的切线方向；Fo为轴向抗力，切削力在垂直方向上的分力；FfN为吃刀抗力，纵向进给方向上的分力。Ff为走刀抗力，工件进给方向上的分力。铣削力计算选取端铣中的对称铣削方式，选取的铣刀为硬质合金端面铣刀，所加工的零件材质为低碳钢(Gpa735.0b)，因此主切削力的计算公式[54]为：12.03.1p75.0z1.1e(789.3)81.9aFaKKnZdfFCc(2.1)
【参考文献】：
期刊论文
[1]悬吊式模态试验系统基频测试误差分析[J]. 吴松,郭其威,臧旭,徐腾. 振动与冲击. 2018(19)
[2]基于拓扑优化与多目标优化的机床底座结构设计[J]. 赵海鸣,蒋彬彬,李密. 机械设计与研究. 2018(04)
[3]机床主轴热设计研究综述[J]. 邓小雷,林欢,王建臣,谢长雄,傅建中. 光学精密工程. 2018(06)
[4]BFPC填充结构机床立柱设计及其性能分析[J]. 于英华,高级,王烨,张兴元. 机械设计与研究. 2018(02)
[5]基于正交试验的机床移动横梁多目标优化设计[J]. 鞠家全,邱自学,崔德友,任东,商爱坤. 机械强度. 2018(02)
[6]BFPC数控车床斜床身拓扑优化设计及其性能分析[J]. 于英华,孙苗苗,徐平,吴荣发. 机械科学与技术. 2018(07)
[7]基于正交试验、组合赋权-灰色关联的机床横梁优化设计[J]. 邱自学,鞠家全,任东,崔德友,刘传进. 振动与冲击. 2017(12)
[8]混凝土床身的有限元分析研究[J]. 徐燕. 智能制造. 2017(06)
[9]玄武岩纤维增强树脂混凝土机床立柱结构设计及其性能仿真[J]. 徐平,李永兴,于英华,梁宇. 辽宁工程技术大学学报(自然科学版). 2017(06)
[10]玄武岩纤维树脂混凝土阻尼特性研究[J]. 徐平,沈佳兴,于英华,陈宇,张兴元. 非金属矿. 2017(01)
博士论文
[1]机床用树脂矿物复合材料热膨胀及力学性能研究[D]. 张义.山东大学 2017
[2]基于热力耦合影响的高精机床静动态精度性能研究[D]. 邹海天.哈尔滨工业大学 2016
[3]钢纤维聚合物混凝土机床基础件静动态力学性能及损伤机理研究[D]. 徐平.辽宁工程技术大学 2006
硕士论文
[1]2V19重型立式车床工作台底座结构优化设计研究[D]. 杨帆.哈尔滨工业大学 2018
[2]精密数控磨齿机热特性建模分析和结构优化研究[D]. 刘佳兰.西安理工大学 2018
[3]零传动滚齿机热特性分析与建模仿真[D]. 翟文杰.太原理工大学 2018
[4]基于变形敏感度分析的机床整机刚度分配与零部件结构优化[D]. 杜雪飞.重庆理工大学 2017
[5]五轴联动龙门加工中心热变形分析及结构优化[D]. 邵灵芝.东南大学 2017
[6]平面磨床砂轮主轴—轴承系统热—结构耦合分析与试验研究[D]. 龙婷.湘潭大学 2017
[7]数控内齿强力珩齿机动态及热特性研究[D]. 李文浩.合肥工业大学 2017
[8]某型号卧式加工中心模态分析及优化设计[D]. 岳文斌.大连理工大学 2016
[9]基于Abaqus的车铣复合机床热特性分析及实验研究[D]. 严波.华中科技大学 2016
[10]树脂矿物复合材料精密车床床身结构强化及其优化设计[D]. 王文强.山东大学 2016
本文编号：2990884
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