复杂箱体精密复合镗铣加工中心关键部件优化设计

发布时间：2017-08-22 00:12

  本文关键词：复杂箱体精密复合镗铣加工中心关键部件优化设计

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【摘要】：精密智能复合式镗铣加工中心是装备制造业的基础设备,在诸多领域均居于重要地位,特别是针对军事装备中复杂箱体类零件的加工。其制造精度和效率直接影响终端产品的质量和成本。而加工中心各关键功能部件又直接影响着其整体加工精度和效率。本文在国家863计划重点项目支持下。笔者综合分析国内外相关先进技术和设计经验,通过对关键功能部件的结构优化设计及误差补偿有效提升了镗铣加工中心的加工精度及效率。以TX-1600G镗铣加工中心镗轴滑枕为研究对象。在各工况下对其进行静、动态特性分析,为后续优化提供数据基础。基于SIMP法并结合折衷规划法和功效函数法,以应变能和模态特征值为综合目标函数设计响应,结构体积分数和几何尺寸为主要约束条件,并综合考虑制造工艺性等因素,进行多目标拓扑优化设计。在此基础上通过有限元分析,选用双X形附加筋板方案进一步加强滑枕抗变形能力。经对比分析,滑枕新结构较原结构形变大幅减小、最低固有频率显著增加、自重减轻,有效提高了镗削加工精度和效率且降低了材料成本。以拓扑优化后的滑枕新结构为研究对象,以最小化滑枕各节点应变能密度最大值为优化目标,体积分数为约束条件,完成了旨在改善镗轴滑枕应力分布,增加材料利用率,减小应力集中,提高加工精度长期可靠性的形状优化设计,并达到了预期目标。为进一步提高加工中心镗削加工精度,本文采取“液压—拉杆”补偿法降低滑枕挠曲变形误差。通过有限元分析获得滑枕挠曲变形规律,根据相关理论算出补偿力初算值,应用有限元技术及最小二乘法,最终拟合得补偿力与滑枕行程曲线。经分析表明“液压—拉杆”补偿法可有效进一步降低镗削加工误差。以镗铣加工中心主轴滑台为研究对象,基于变密度法,以应变能和模态特征值为优化目标,结构体积为主要约束条件,并综合考虑制造工艺等其它因素,完成了旨在提高加工中心加工精度和效率的多目标拓扑优化设计。最后,达到了预期目标。
【关键词】：镗铣加工中心 结构优化设计 静态特性分析 模态分析 误差补偿
【学位授予单位】：沈阳理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG659
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-20
• 1.1 课题的来源与背景12-14
• 1.1.1 课题的来源12
• 1.1.2 课题的研究背景12-14
• 1.2 课题研究的意义14
• 1.3 国内外研究现状14-18
• 1.3.1 国内外机床主要功能部件结构优化设计14-18
• 1.3.2 加工中心滑枕误差补偿18
• 1.4 课题研究的主要内容18-19
• 1.5 本章小结19-20
• 第2章 镗轴滑枕静动态特性分析20-39
• 2.1 镗削力计算21-23
• 2.1.1 粗镗镗削力计算21-22
• 2.1.2 半精镗的切削力计算22
• 2.1.3 关于镗削力分析22-23
• 2.2 滑枕受力分析23
• 2.3 滑枕工作时理论变形计算23-27
• 2.4 镗轴滑枕静动态特性分析27-38
• 2.4.1 滑枕有限元分析工况及载荷分析27-28
• 2.4.2 镗轴滑枕有限元几何模型建立28-29
• 2.4.3 滑枕有限元模型边界条件29-30
• 2.4.4 滑枕有限元模型单元属性及网格划分30-32
• 2.4.5 镗轴滑枕静态特性分析32-35
• 2.4.6 镗轴滑枕模态特性分析35-38
• 2.5 本章小结38-39
• 第3章 镗轴滑枕多目标拓扑优化设计39-56
• 3.1 多目标拓扑优化数学模型39-44
• 3.1.1 基于SIMP法的拓扑优化40
• 3.1.2 静力拓扑优化数学模型40-42
• 3.1.3 动力拓扑优化数学模型42
• 3.1.4 多目标拓扑优化方法及其数学模型42-44
• 3.2 镗轴滑枕多目标拓扑优化设计44-47
• 3.2.1 镗轴滑枕应变能最小化单目标拓扑优化44-45
• 3.2.2 镗轴滑枕固有频率最大化单目标拓扑优化45-47
• 3.3 镗轴滑枕筋板的选型47-52
• 3.3.1 镗轴滑枕筋板性能及工况分析47-49
• 3.3.2 关于镗轴滑枕筋板的有限元分析49-52
• 3.4 镗轴滑枕新结构的优化设计及性能分析52-54
• 3.4.1 镗轴滑枕新结构的优化设计52
• 3.4.2 镗轴滑枕优化前后结构性能对比52-54
• 3.5 本章小结54-56
• 第4章 镗轴滑枕形状优化设计56-65
• 4.1 镗轴滑枕结构应力分析57-60
• 4.1.1 滑枕结构工况及受力分析57
• 4.1.2 滑枕结构应力分析前处理57-59
• 4.1.3 滑枕结构应力分析59-60
• 4.2 滑枕结构形状优化设计60-64
• 4.2.1 形状优化模型60-61
• 4.2.2 形状优化原理61-62
• 4.2.3 镗轴滑枕结构形状优化设计62-64
• 4.3 本章小结64-65
• 第5章 镗轴滑枕误差补偿设计65-73
• 5.1 补偿原理65-69
• 5.1.1 配重补偿方案65-66
• 5.1.2 拉杆结构补偿方案66-67
• 5.1.3 补偿设计67-68
• 5.1.4 补偿力确定68-69
• 5.2 补偿装置69-70
• 5.3 补偿效果有限元验证及分析70-72
• 5.3.1 补偿后挠曲变形70-71
• 5.3.2 拉杆补偿力拟合曲线71-72
• 5.4 本章小结72-73
• 第6章 主轴滑台结构拓扑优化设计73-89
• 6.1 滑台所受载荷分析73-76
• 6.1.1 滑台工作时铣削力计算74-76
• 6.1.2 滑台工作时镗削力计算76
• 6.1.3 关于镗铣加工中心切削力分析76
• 6.2 主轴滑台静态特性分析76-81
• 6.2.1 主轴滑台有限元几何模型建立76-77
• 6.2.2 主轴滑台的约束条件77-78
• 6.2.3 主轴滑台的载荷条件78
• 6.2.4 主轴滑台的典型工况78
• 6.2.5 滑枕有限元模型单元属性及网格划分78-80
• 6.2.6 主轴滑台静态特性分析80-81
• 6.3 主轴滑台动态特性分析81-82
• 6.4 主轴滑台拓扑优化设计82-87
• 6.4.1 主轴滑台多目标拓扑优化数学模型83-84
• 6.4.2 滑台拓扑优化84-85
• 6.4.3 主轴滑台优化前后结构性能对比85-87
• 6.5 本章小结87-89
• 结论89-91
• 参考文献91-96
• 攻读硕士学位期间发表的论文和获得的科研成果96-97
• 致谢97-98

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