立式车床立柱结构优化设计.docx
《立式车床立柱结构优化设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《立式车床立柱结构优化设计.docx（9页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
立式车床立柱结构优化设计
设计与制造
2021年第3期（第26卷,总第125期）·机械研究与应用
立式车床立柱结构优化设计
蒋国生
（永州职业技术学院,湖南永州425000
摘要:
采用科学计算和实际经验相结合的方法,类比同类车床立柱的结构,并依据有限元分析的数据,对该立柱结
构进行优化。
针对FWL-8式车床立柱提出了三个减重方案。
通过对立式车床立柱的有限元分析和结构优化,减
轻了车床立柱的重量,节省了工程材料,立柱的强度刚度和固有频率等指标能满住实际工作的需要,为同类型机床
的设计生产提供了更多的理论依据。
关键词:
车床立柱;模态分析;有限元分析;结构优化
中图分类号:
TH12
文献标志码:
A
文章编号:
1007-4414（2021）03-0102-03
StructuralDesignOptimizationforLatheColumn
JIANGGou-sheng
（YongzhouVocationalCollege,YongahouHunan425000,China）
Abstract:
Inthispaper,combiningscientificcomputingwithpracticalexperience,alongthesimilarlathepillarstructureand
onthebasisofthedataoffiniteelementanalysisthreemeasuresaremade.Throughthefiniteelementanalysisandstructura
optimizationofFWL-8verticallathepillar,itcouldreducetheweightofthelathepillarandsavetheprojectmaterials,and
thestrength,stiffnessandnaturalfrequencycouldmeettheneedofactualwork.Itcouldprovidemoretheoreticalbasisforthe
samethetypeofmachinetooldesignandproduction
Keywords:
lathecolumn;modalanalysis;finiteelementanalysis;structuraloptimization
1引言
2立柱结构优化设计方法
在立式车床和各组成局部中,立柱起着关键部件2.1参数化有限元模型
的作用,并与整机性能有着密切的关系。
对机床主要建立准确可靠的结构有限元计算模型,是一项极
零部件进行有限元分析,并优化零部件结构的设计。
为重要的工作,它直接关系到计算结果的正确与否。
东南大学和无锡机床股份对内圆圆磨床但实际工程问题往往非常复杂,结构形状、支承边界、
M2120A立柱结构进行有限元分析,得到立柱前几阶载荷等存在各种可能,因此要求在建立计算模型的过
的固有频率和振型,分析立柱的内部筋板布置对结构程中进行必要的简化,然而这种简化的结果,使得计
动态特性的影响。
张海伟利用动态实验分析和理算模型只能近似地反映工程实际问题,或者说计算模
论模型分析两种方法对卧式加工中心的动态性能进型在不同程度上都具有一定的近似性。
结构有限元
行了分析,通过实验测试数据与理论计算结果比照分法分析结果的准确性很大程度上受到所建模型准确
析,验证了理论模型的合理性,找出了机床的薄弱环性的影响。
通过观察WL-8零件图发现,立柱属于
节,并进行结构优化。
优化后分析结果证实,机床结焊接件,有许多圆角、工艺孔、螺孔。
如果根据实际情
构的最大变形值都相应降低2。
陈庆堂运用工程软况将这些实体特征在SolidWorks22021中进行造型,势
件ANSYS的优化设计模块,根据立柱的实际工况及必增加有限元计算量。
最终建立的立柱结构模型,如
机床零件加工精度要求,在参数化建模及结构应力分图1所示。
析根底上,对XK713数控铣床轴箱结构以减轻重量
为目标进行优化设计。
通过优化设计及分析,立柱结
构重量减轻了23.2%,三个方向上的刚度和应力得
到了合理的分布3。
不仅大大提高了立柱的动态性
能,而且节省了材料,降低了生产本钱。
笔者采用
科学计算和实际经验相结合的方法,类比同类车床立
柱的结构,并依据有限元分析的数据,对该立柱结构
进行优化。
图1修改后的立柱模型
收稿日期:
2021-04-17
作者简介:
蒋国生（1965-）,男,湖南永州人,副教授,研究方向:
数控加工技术、cA/CAM/CAE
102
·机械研究与应用·2021年第3期（第26卷,总第125期）
设计与制造
2.2结构优化设计
（2）减小筋板厚度由于筋板使用了较为优化
以立柱结构为研究对象,保证减重后立柱的强度的“米〞字形结构,其强度和刚度都较高,并且从AN
和刚度不变,固有频率不降低。
经分析,提出以下几SYS10.0中分析中,也得出了设计过分保守的结果,
种减重方案。
所以可减小筋板厚度,从而减小质量,如图4所示。
（1）现有结构的有限元分析结果。
本课题减重壁板和筋板厚度的减小后,立柱整体质量也较小,如
方案的主体思想是根据现有应力集中情况,在某些应表1所列。
力集中处适当加强;对于位移梯度变化较大的位置适
当加强,反之适当减弱。
（2）类比同类产品的立柱结构。
同类车床产品
有FW-6等型号,以及参考国外先进设备的立柱的
结构形式,包括隔板的位置、数目、角度,筋板的截面
形状、截面积、倾斜角度等。
（3）合理地减薄壁板厚度以及去掉局部材料。
本课题研究的立柱由于原始设计过于保守,可适当地
减薄壁板厚度,或者去掉局部筋板。
2.3减小壁板和筋板的厚度
（1）减小壁板厚度原始的立柱设计较为保守
应力分析时,平安系数超过30。
通过SolidWorks22021
图4减小圆筒的厚度
平台对立柱的三维模型进行修改,以到达在保证刚度
和强度的情况下尽可能多的降低立柱的质量。
图2
表1立柱重量比照
/kg
所示即为原始立柱壁板草图的相关尺寸。
在此对立
立柱的质量
质量值
柱的壁板厚度进行局部修改,并重新建模,修改完毕
原始质量
9088
的尺寸如图3所示。
从修改后的壁板草图可以看出,
修改后质量
8562
壁板厚度从原来的30mm减小到25mm,减薄了5
mm。
尺寸的修改主要是内部尺寸修改,外部尺寸保2.4增大导轨的接触面
持不变,有利于建模和外部形状不变。
由于车床高速加工时,立柱所受的力较大,约为
50000N。
增大导轨的接触面,一方面能降低对镶钢
导轨作用与立柱的压强;另一方面能使立柱受迫振动
的频率降低,发生共振的可能性降低,减少噪音,如图
5所示。
一A
图2原始的壁板草图
图5增大导轨接触面部位示意图
原始设计图中,A1面积为100×1790=179000
mm2;A2面积为160×1790=286400mm2;A3面积为
100×1790=179000mm2;其中,A1受力F1=25000
N;A2受力F1=12500N;A3受力F1=12500N
改良后立柱结构数据,A1面积为120×1790=214
800mm2;A2面积为160×1790=286400mm2;A3面积
图3修改后的壁板草图
为120×1790=214800mm2;其中,A1受力F1=25000
N;A2受力F1=12500N;A3受力F1=12500N
103·
设计与制造
2021年第3期（第26卷,总第125期）·机械研究与应用
2.5增大壁板和筋板上的通孔
在壁板和筋板能正常使用的情况下,可增加通孔
大小,从而减轻重量,将通孔大小从220mm×150mm
增大到220mm×160mm,总量又从8462kg减到了7
761kg,优化的质量有1327kg,到达了14.6%。
3有限元分析
为了分析改良后立柱结构性能的变化,下面对新
的立柱结构进行有限元分析。
将新的立柱结构模型
图7X、Y方向形变云图
导入ANSYS110.0进行静力分析,各种云图如图6~9
所示。
应力和最大位移比照统计,如表2所列。
图6节点等效应力VonMises分布云图
图8Z方向形变云图Translation图9结构总变形
USUM云图
表2应力和位移比照统计
应力（MPa）
最大位移（μm）
X向位移
Y向位移
原始
等效应力
Z向位移
结构总变形
6.53
6.9
64.7
9.
62.2
等效应力
92
X向位移
Y向位移
Z向位移
结构总变形
修改后
11.6
13.4
131
18.5
132
修改后,立柱结构大局部区域平安系数N=,÷析,分析其形变和应变的特点,并与原模型进行比拟,=235÷11.6=20,平安系数虽然还较大,但是由于最终确定优化方案。
结构总变形量开始变大,所以不能单单为了强度而忽
参考文献:
略了刚度。
此设计能满足工作的实质要求。
4结语
[1]陈庆堂基于ANSYS的数控铣床主轴箱优化设计[J]莆田学院
介绍了结构优化的根本思想和方法,在保证原有
学报,2021（5）:
5-25
[2]汤文成,易红.板厚对机床床身动态特性的影响[J]制造技
结构的根底上减小了壁板和筋板的厚度,通过运用增
术与机床,2007（3）:
8-12
大导轨的接触面积以及增大壁板和筋板上通孔的方[3]王艳辉,伍建国,缪建成精密机床床身的模态分析与结构优选
法,到达优化结构、减轻重量的要求。
通过再次建立]机械设计与制造2005（3）:
8-16
三维实体模型,利用Ansys110.0软件进行有限元分
·信息
南航获全国大学生机械产品数字化设计大赛一等奖
2021全国大学生机械产品数字化设计大赛决赛日前在华中科技大学落幕,南京航空航天大学三位学生的
作品“可低速行驶的公共自行车〞获一等奖。
由教育部机械学科教学指导委员会主办国家级实验教学示范中
心联席会机械学科组和欧特克软件（中国）共同承办的本次大赛主题是“绿色出行,火轮再现〞,内容
为未来自行车的设计。
大赛历时6个月,共吸引了来自全国52所高校的420多支代表队参加。
来自浙江大
学、华中科技大学、哈尔滨工业大学、等高校的83支代表队进入决赛。
本刊辑·
104
升级会员 