高速SPORTS关键部件结构优化

高速SPORTS是数控机床设备中加工效率zui高、加工批量化程度zui大,在有色金属和难加工材料零件的生产中应用zui广泛的数控机床之一。随着高速加工中心加工精度和加工效率的提高,关键部件的动静特性成为制约高水平加工中心的重要指标,关键部件的结构优化成为提高其动静特性的重要途径。本文的主要目标是针对高速SPORTS的结构特点,对关键部件进行必要的结构优化以提升整机性能。本文首先对国内外在结构优化方面的进展进行了介绍,并对结构优化技术应用到机床行业情况进行了总结。根据加工中心设计的具体情况,着重阐述了利用结构优化技术提升高速SPORTS关键部件性能的必要性。随后对优化驱动技术和有限元优化分析的基本思路进行了简要阐述,并简要介绍了有限元分析软件ANSYS Workbench和Hyperworks,对结构拓扑优化的过程进行了介绍。

根据有限元分析基本理论并结合高速SPORTS的具体特点,提出了适用于高速SPORTS的有限元分析方法,包括基于装配体的分析方法和复杂边界条件的设置等,通过合理设置边界条件达到充分模拟现场工况的要求。然后对高速SPORTS的关键部件进行了详细的有限元分析,得到关键部件的位移云图、应力云图和模态云图,为后续的优化分析提供了依据。依据尺寸优化的特点和具体优化过程,首先利用基于灵敏度分析的尺寸选择技术对关键尺寸进行了筛选,找到对关键部件动静特性影响较大的参数；然后对关键部件进行了以减轻自身质量为目标的基于目标驱动技术的多目标尺寸优化设计。利用优化后尺寸对模型进行重建,通过对关键部件优化前后的有限元分析结果进行对比,查看优化效果并指导关键部件的改进设计。zui后为了能够进一步完善关键部件的结构,利用Hyperworks中的Optistruct模块对关键部件进行拓扑优化。本文针对高速SPORTS各个关键部件的具体特点,对满足板壳结构的模型进行了板壳模型重建工作,然后分别利用实体模型和板壳模型对关键部件进行了基于变密度法的拓扑优化分析,得到了较为理想的拓扑结构,并指导了关键部件的改进设计等工作。

SPORTS是指主轴轴线与工作台垂直设置的加工中心，主SPORTS机要适用于加工板类、盘类、模具及小型壳体类复杂零件。SPORTS能完成铣、镗削、钻削、攻螺纹和用切削螺纹等工序。SPORTSzui少是三轴二联动，一般可实现三轴三联动。有的可进行五轴、六轴控制。SPORTS立柱高度是有限的，对箱体类工件加工范围要减少，这是SPORTS的缺点。但SPORTS工件装夹、定位方便；刃具运动轨迹易观察，调试程序检查测量方便，可及时发现问题，进行停机处理或修改；冷却条件易建立，切削液能直接到达刀具和加工表面；三个坐标轴与笛卡儿坐标系吻合，感觉直观与图样视角一致，切屑易排除和掉落，避免划伤加工过的表面。与相应的卧式加工中心相比，结构简单，占地面积较小，价格较低。

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