機床輕量化結構單元特征研究與靜態(tài)性能分析*

邢俏芳 董惠敏 姜懷勝 王德勝 王德倫 申會鵬 張允良

(①大連理工大學機械工程學院，遼寧大連 116024;②大連機床集團有限責任公司，遼寧大連 116620)

機床綠色制造是當前制造業(yè)的發(fā)展趨勢，機床輕量化設計［1－3］成為研究重點與熱點。高性能的輕量化設計要求對支承件的設計提出了挑戰(zhàn)，支承件的動靜剛度以及熱特性和工藝性不同程度地受到內部筋板布置方式的影響。彭艷華等人對支承件組成形體進行分解，得到拓撲結構變化不大、相對獨立的基本元結構［4－7］，基于元結構的動態(tài)性能對支承件進行可適應性優(yōu)化設計。徐燕申［8］等人提出元結構和基本框架的概念，對數(shù)控機床的床身進行了研究，并結合元結構動態(tài)特性優(yōu)化和床身基本框架動態(tài)特性優(yōu)化，總結出指導數(shù)控機床床身設計的普遍規(guī)律。郭壘［9］等人對元結構方法進行了理論建模和驗證。但上述研究僅限于動態(tài)性能，并未涉及靜態(tài)性能，且未對組成支承件內部單元的特征歸納總結及分類。

鑒于支承件靜態(tài)性能對整機精度的重要性和機床輕量化設計的重要性，參考陳勇等人提出自適應單元的形成和到幾何體映射的自適應組件設計方法［10］，本文以構成支承件的內部結構為出發(fā)點，考察支承件內部結構特征，定義單元概念，研究10類機床支承件結構內部特征，抽象化提取單元，對具有共性的單元做歸類處理，形成單元型譜，分別對鑄造單元和焊接單元的工藝特征進行歸納總結。以某機床立柱為例，說明支承件不同結構單元靜態(tài)性能的差異。這樣有助于支承件設計時針對性地對內部筋板型式進行選取，為支承件數(shù)字化設計和結構優(yōu)化技術奠定基礎。

1 支承件結構單元特征

1.1 支承件結構分析與單元定義

機床支承件是由外部形狀和整體尺寸所確定的框架和內部結構所構成。圖1為對某立柱形體分解。從圖中可看出，支承件a是在主框架b的基礎上添加內部結構c而形成。c中有兩種類型結構，一種為附著于立柱壁板之上，縱橫筋板交叉形成兩個井字形筋板布置，另外一種為吊裝所需而開的吊裝孔。因支承件內部結構復雜，為方便設計，把此類內部結構稱為單元。

一個支承件中可能有多種單元以不同的組合方式存在。如圖2所示，支承件為某立式加工中心的床身，其內部由填充于主筋板之間的長方形空腔，出砂孔為長方形的單元3組合而成，側壁板上為減輕質量和鑄造清砂，開有近似于橢圓形的單元1，導軌內側為提高其靜剛度設置有單元2。

由此單元定義為附于壁板之上，填充于主筋板之間，用于改變支承件局部性能或者貫穿壁板用于提高支承件制造工藝性的結構。單元在支承件中起著如下作用:①提高支承件局部承力特性;②提高支承件局部抗振性能;③提高支承件局部熱特性;④提高支承件工藝性能。

故單元是支承件的重要組成部分，在支承件的設計中起著很重要的作用。

1.2 單元類型與特征

盡管單元的類型和型式多種多樣，但單元結構特征總是有一定的相似性。綜合考慮單元的幾何形狀和制造特性，研究臥式車床DL系列、車銑復合加工中心VHT800以及立式加工中心VDBS50等10類典型機床支承件，結果列于表1。

分析以上支承件中的內部單元特征，可以把單元分為以下4類。

1.2.1 箱體類單元特征

箱體類單元指的是在箱形件和梁類件中重復排列的內部為空腔，外部有出砂孔的柵格類筋板組合。從以上10類機床的單元特征，我們可以得到表2的箱體類單元型譜，均為鑄造單元。對于大尺寸的箱形件和梁類件而言，內部一般采用箱體類單元以提高支承件的靜態(tài)性能和動態(tài)性能，箱體類單元可以在保證支承件靜動性能的前提下，有效地降低支承件的重量。箱體類單元主要適用于箱形支承件，有時也在單一方向尺寸較大的梁類件中適用。

1.2.2 壁板類單元特征

壁板類單元指的是在板類件和箱形件中附著于壁板上重復排列的可看成有一定高度的二維形狀的筋板組合。主要應用于板類件當中，也適用于箱體類單元的外伸部分。比空腔單元節(jié)省材料、減輕重量，而且，有效地增強了支承件的靜態(tài)性能和動態(tài)性能?？偨Y筋板類單元型譜如表3。

1.2.3 加強筋類單元特征

加強筋類單元指的是為提高支承件細微局部的剛度(比如導軌、螺栓連接處等)而增加的筋板。對于主軸箱、床鞍、床身導軌處之類，經常會在剛度薄弱的地方周圍添加加強筋，以減小振動，提高靜動剛度。加強筋有表4所示兩類。

1.2.4 工藝類單元

工藝單元指的是出于工藝原因而開的孔槽或是增加的凸臺，如鑄造的出砂孔，車床主軸箱的散熱槽等。為便于制造和裝配，工藝單元是必須考慮的。

以上述4類單元為統(tǒng)計依據，對表1中支承件單元進行統(tǒng)計得:在機床支承件中箱體類單元占了大部分，比例為75%，壁板類單元只占10%，加強筋單元和工藝單元作為輔助但以必不可少的單元而存在，兩者之和占到15%。

2 支承件結構內部單元工藝特征

2.1 鑄造單元工藝性

2.1.1 鑄造結構單元圓角

支承件結構單元拐角處應圓滑過渡，避免突拐。否則澆鑄時突拐處因傳熱較快，優(yōu)先凝固，其他部分凝固時收縮而易在突拐處產生裂紋，降低支承件強度和質量。

2.1.2 單元筋板壁厚均勻性要求

圖5a在交匯處較厚，易產生縮孔，如改為圖5b所示，中間加一個圓窩，交匯處成為環(huán)狀，厚度與筋差不多，就可避免縮孔的產生。

2.2 焊接單元工藝性

焊接單元工藝性設計主要考慮焊縫的布置、數(shù)量，避免過大的應力集中并具有可操作性。

2.2.1 足夠的焊接操作空間

焊縫布置應有足夠的焊接操作空間，以便于施焊和檢驗，如圖6所示。

2.2.2 有利于減小焊接應力與變形

①盡量減小焊縫數(shù)量，減少應力和變形。設計焊接結構時，應盡量選用尺寸規(guī)格較大的板材、型材和管材，形狀復雜的可采用沖壓件和鑄鋼件，如圖7a，b，c所示。

②焊縫盡量對稱布置，以減小變形。如圖7d，e所示。

③焊縫布置應避免密集、交叉，以防止接頭組織和性能惡化，如表6所示。兩條焊縫間距一般要求大于板厚且不小于100 mm。

2.2.3 應避免母材厚度方向工作時受拉

其原因是母材厚度方向強度較低，受拉時易產生裂紋。

2.2.4 應盡量使焊縫避開或遠離機加工面

焊縫遠離機加工面，尤其是已加工面，以免影響焊件精度和表面質量，如圖9所示。

3 單元與靜剛度性能分布規(guī)律

3.1 含內部單元的支承件有限元模型

為獲得單元與支承件靜剛度性能的分布規(guī)律，以VDL600E立式加工中心立柱為研究對象，它的內部單元為壁板類單元。在其主框架上增加各類單元:N、◇、井、X、米、十，獲得三維模型。支承件三維模型在PRO/E中建立。

為了防止細小部位導致單元密度不均，網格質量差，因其特征對機床靜態(tài)性能分析影響較小，故簡化掉所有的過渡圓角、倒角和螺栓孔。建模時采用與原結構在長、寬、高整體尺寸及幾何形狀相一致的實體建模，各類單元的寬度和厚度均相等，最終模型如圖10所示。

實體復雜結構選用四面體單元智能劃分網格，因其尺寸較大，考慮到小局部尺寸，單元尺寸定為20 mm，材料為 HT300，彈性模量為1.43×1011Pa，泊松比為0.27和密度為7 300 kg/m3。以一種單元有限元模型示意，如圖11所示。

3.2 結構化單元與支承件靜態(tài)性能之間的關系

3.2.1 邊界條件分析

從圖10可以看出立式加工中心立柱是連接主軸箱和床身的關鍵零部件。立柱通過滑塊和絲杠與主軸箱連接，所以載荷邊界條件直接簡化等效到立柱的導軌上。而立柱與床身之間通過螺栓緊固連接，床身是固定不動的，要分析立柱在切削力作用下的相對變形，只有將立柱與床身的結合面施加位移約束。位移約束是對節(jié)點位移的大小和相互作用關系的限制。計算各類單元支承件在上極限工況下的靜態(tài)性能，上極限邊界條件示意圖如圖12。

3.2.2 計算結果對比

運用ANSYS軟件對圖10所示6種不同壁板類單元型式的立柱模型進行靜態(tài)性能分析，結果如表7和圖13所示。

表7 各單元型式計算結果

觀察圖13可知，立柱的整體位移云圖顯示自上到下位移呈階梯狀變化減小，關心部位為立柱導軌與滑塊結合面，最大位移位于左上滑塊上邊。由計算結果圖表得知，井字型的立柱靜剛度在6種單元類型里面是最好的，其次為◇、十，N與X靜剛度相當，最差為米字型。米字型單元增加了筋板的數(shù)量和質量，但在小單元設計區(qū)域內并沒有起到很大減小位移的效果，故剛質比下降。

4 結語

研究了機床輕量化結構單元特征，通過對機床支承件結構內部單元特征進行分析，對單元工藝特征進行描述，及以具有不同壁板類單元的立柱為例進行靜態(tài)性能分析，得到如下結論:

(1)提出單元概念，將支承件結構內部單元分為4大類:箱體類單元、壁板類單元、加強筋類單元和工藝類單元，并對各類單元進行了界定。

(2)建立4類機床輕量化結構單元型譜，指導支承件局部單元結構設計。箱體類單元型譜為外形呈方體或三棱柱，出砂孔為方形或圓形的配對組合，共4個單元。壁板類單元型譜為井字單元、V形單元和米字單元等10個單元。加強筋類單元型譜為豎肋與橫肋加強筋。工藝類單元型譜為吊裝孔、出砂孔、散熱槽。

(3)運用ANSYS對具有不同壁板類單元的立柱進行分析得到內部結構為井字形單元的立柱靜態(tài)性能最好，為機床支承件(箱體類立柱)輕量化結構單元設計提供科學依據。

［1］Kroll L，Blau P，Wabner M，etc.Lightweight components for energyefficient machine tools［J］.Elsevier，2011，4(2):148 －160.

［2］Panchal D －M.Topology optimization of machine column for the horizontal machining center［D］.University of Duisburg － Essen，2010.

［3］Sulitka M，Novotny L，Sréda J，etc.Machine tool lightweight design and advanced control techniques［J］.Science，2008，32/33(10).

［4］顏華生.機床結構動態(tài)設計與優(yōu)化關鍵技術研究與應用［D］.廈門:廈門大學，2008.

［5］張學玲.基于廣義模塊化設計的機械結構靜、動態(tài)特性分析及優(yōu)化設計［D］.天津:天津大學，2004.

［6］彭艷華.立式加工中心多目標優(yōu)化設計［D］.廣州:華南理工大學，2011.

［7］王宇奇.YK20100磨齒機主要部件的有限元分析及結構優(yōu)化設計［D］.長沙:中南大學，2009.

［8］徐燕申，張興朝，牛占文，等.基于元結構和框架優(yōu)選的數(shù)控機床床身結構動態(tài)設計研究［J］.機械強度，2001(1).

［9］郭壘，張輝，汪勁松，等.元結構方法的理論建模和驗證［J］.機械工程學報，2011，47(23):135 －143.

［10］Chen Yong，Li Yongqiang，Xu Xiaoshu.Design in nature's way:computer－ aided component design with complex shapes［J］.Computer－Aided Design，2010.