本發(fā)明屬于機(jī)械工程領(lǐng)域，具體涉及一種變截面臥式加工中心立柱結(jié)構(gòu)，作為“框中框”結(jié)構(gòu)臥式加工中心機(jī)床的立柱。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，我國(guó)機(jī)床不斷向高精度、高速度的方向發(fā)展，對(duì)機(jī)床提出了更高的要求。機(jī)床剛度決定其加工質(zhì)量，而構(gòu)件的結(jié)構(gòu)對(duì)機(jī)床剛度產(chǎn)生較大的影響。因此，對(duì)構(gòu)件結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，能較大改善機(jī)床剛度。傳統(tǒng)機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要采用經(jīng)驗(yàn)、類比等方法；該類方法缺乏系統(tǒng)的理論指導(dǎo)，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，往往出現(xiàn)材料利用率低、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)笨重等現(xiàn)象。而且，目前市場(chǎng)上的機(jī)床立柱大多為整體鑄造形成，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)立柱內(nèi)部有較多的筋板結(jié)構(gòu)，增加了鑄造的難度，而且在澆鑄時(shí)筋板結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生砂眼、澆不足等問(wèn)題，影響立柱的剛度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種全新的立柱結(jié)構(gòu)，提高材料的利用率，使其在靜動(dòng)態(tài)剛度提高的同時(shí)，重量減輕，加工難度降低，節(jié)約加工成本。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種變截面臥式加工中心立柱結(jié)構(gòu)，即在外形上做適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)上，把傳統(tǒng)立柱的橫縱向十字筋板去除，將立柱截面分段設(shè)計(jì)為壁厚不斷變化的形式。

一種變截面臥式加工中心立柱結(jié)構(gòu)，包括上橫梁、下橫梁、縱向支撐柱、弧形加強(qiáng)筋，上橫梁、下橫梁和分別位于左右兩側(cè)的縱向支撐柱相互連接組成中空的回字結(jié)構(gòu)，上橫梁的截面呈直角梯形，上橫梁內(nèi)部中空，在上橫梁內(nèi)壁設(shè)置有弧形加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，所述縱向支撐柱包括左縱向支撐柱和右縱向支撐柱，左縱向支撐柱和右縱向支撐柱為關(guān)于中心立柱結(jié)構(gòu)垂直中線的鏡像結(jié)構(gòu)(即左右對(duì)稱)，在左縱向支撐柱和右縱向支撐柱上分別設(shè)置有前側(cè)壁和后側(cè)壁結(jié)構(gòu)，所述前側(cè)壁由第一節(jié)前側(cè)壁、第二節(jié)前側(cè)壁和第三節(jié)前側(cè)壁沿豎直方向由上至下依次連接組成，第一節(jié)前側(cè)壁、第二節(jié)前側(cè)壁和第三節(jié)前側(cè)壁的壁厚由厚至薄依次為第三節(jié)前側(cè)壁、第二節(jié)前側(cè)壁、第一節(jié)前側(cè)壁，第一節(jié)前側(cè)壁和第三節(jié)前側(cè)壁為均一厚度，第二節(jié)前側(cè)壁的壁厚由上至下呈線性均勻增加，所述第一節(jié)前側(cè)壁、第二節(jié)前側(cè)壁、第三節(jié)前側(cè)壁之間的長(zhǎng)度比為(10-12):(4-5):(7-9)，所述后側(cè)壁由第一節(jié)后側(cè)壁、第二節(jié)后側(cè)壁、第三節(jié)后側(cè)壁和第四節(jié)后側(cè)壁沿豎直方向由上至下依次連接組成，第一節(jié)后側(cè)壁、第二節(jié)后側(cè)壁、第三節(jié)后側(cè)壁和第四節(jié)后側(cè)壁的壁厚由厚至薄依次為第四節(jié)后側(cè)壁、第三節(jié)后側(cè)壁、第二節(jié)后側(cè)壁、第一節(jié)后側(cè)壁，第一節(jié)后側(cè)壁、第三節(jié)后側(cè)壁為均一厚度，第二節(jié)后側(cè)壁和第四節(jié)后側(cè)壁的壁厚由上至下呈線性均勻增加，所述第一節(jié)后側(cè)壁、第二節(jié)后側(cè)壁、第三節(jié)后側(cè)壁、第四節(jié)后側(cè)壁之間的長(zhǎng)度比為(8-9):(25-26):(5-7):(12-14)；所述下橫梁為斜坡結(jié)構(gòu)，斜坡較高的一側(cè)朝向正面，下橫梁與上橫梁相同皆為內(nèi)部中空。

進(jìn)一步的，所述第一節(jié)前側(cè)壁、第二節(jié)前側(cè)壁、第三節(jié)前側(cè)壁之間的長(zhǎng)度比優(yōu)選為(10-11):(4-5):(7-8)。

進(jìn)一步的，所述第一節(jié)后側(cè)壁、第二節(jié)后側(cè)壁、第三節(jié)后側(cè)壁、第四節(jié)后側(cè)壁之間的長(zhǎng)度比優(yōu)選為(8-9):(25-26):(5-6):(12-13)。

進(jìn)一步的，所述第四節(jié)后側(cè)壁與豎直方向的夾角為3°-5°。

進(jìn)一步的，所述下橫梁的斜坡坡度，即斜面與水平面的夾角為20-35度。所述下橫梁的斜坡較高的一側(cè)的厚度中線位于立柱下面x向?qū)к壍闹芯€或中線偏下的位置。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明所述的一種變截面臥式加工中心立柱結(jié)構(gòu)是一種全新的立柱結(jié)構(gòu)，采用變優(yōu)化目標(biāo)的分步拓?fù)鋬?yōu)化方法，根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，在外形上做適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)上，把傳統(tǒng)立柱的橫豎向十字筋板去除，將立柱截面分段設(shè)計(jì)為壁厚不斷變化的形式，提高材料的利用率，使其在靜動(dòng)態(tài)剛度提高的同時(shí)，重量減輕，加工難度降低，節(jié)約加工成本。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明立柱結(jié)構(gòu)的縱向支撐柱截面圖。

圖2是本發(fā)明立柱結(jié)構(gòu)的軸測(cè)圖(正面)。

圖3是本發(fā)明立柱結(jié)構(gòu)的軸測(cè)圖(背面)。

圖4是本發(fā)明立柱結(jié)構(gòu)的橫梁截面圖。

圖5是gij630臥式加工中心結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6是立柱拓?fù)鋬?yōu)化流程圖。

圖7是立柱力學(xué)模型。

圖8是外輪廓拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果圖1。

圖9是外輪廓拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果圖2。

圖10是內(nèi)部結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果圖1。

圖11是內(nèi)部結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果圖2。

圖12是中間工況立柱導(dǎo)軌變形曲線圖。

圖13是左極限工況立柱導(dǎo)軌變形曲線。

圖14是右極限工況立柱導(dǎo)軌變形曲線。

圖15是原模型和設(shè)計(jì)模型一階振型圖。

圖16是原模型和設(shè)計(jì)模型二階振型圖。

圖17是原模型和設(shè)計(jì)模型三階振型圖。

圖中：1為上橫梁，2為下橫梁，3為縱向支撐柱，4為前側(cè)壁，4-1為第一節(jié)前側(cè)壁，4-2為第二節(jié)前側(cè)壁，4-3為第三節(jié)前側(cè)壁，5為后側(cè)壁，5-1為第一節(jié)后側(cè)壁，5-2為第二節(jié)后側(cè)壁，5-3為第三節(jié)后側(cè)壁，5-4為第四節(jié)后側(cè)壁，6為弧形加強(qiáng)筋，7為溜板，8為主軸箱，9為立柱，10為床身。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖與具體的實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述：

如圖1所示，該發(fā)明立柱為大件產(chǎn)品，整體鑄造成型，主要結(jié)構(gòu)包括上橫梁1、下橫梁2和縱向支撐柱3，上橫梁、下橫梁和分別位于左右兩側(cè)的縱向支撐柱相互連接組成中空的回字結(jié)構(gòu)，上橫梁的截面呈直角梯形，在上橫梁的一側(cè)為弧形加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)，所述縱向支撐柱包括左縱向支撐柱和右縱向支撐柱，左縱向支撐柱和右縱向支撐柱為關(guān)于結(jié)構(gòu)垂直中線的鏡像結(jié)構(gòu)，在左縱向支撐柱和右縱向支撐柱分別設(shè)置有前側(cè)壁4和后側(cè)壁5結(jié)構(gòu)，所述前側(cè)壁由第一節(jié)前側(cè)壁4-1、第二節(jié)前側(cè)壁4-2和第三節(jié)前側(cè)壁4-3依次連接組成，所述后側(cè)壁由第一節(jié)后側(cè)壁5-1、第二節(jié)后側(cè)壁5-2、第三節(jié)后側(cè)壁5-3和第四節(jié)后側(cè)壁5-4依次連接組成，所述下橫梁為斜坡結(jié)構(gòu)，斜坡較高的一側(cè)朝向正面。

所述中心立柱結(jié)構(gòu)的高度為2311.50mm；，所述第一節(jié)前側(cè)壁、第二節(jié)前側(cè)壁、第三節(jié)前側(cè)壁的長(zhǎng)度依次為1111.50mm、500mm、700mm。

所述第一節(jié)后側(cè)壁、第二節(jié)后側(cè)壁、第三節(jié)后側(cè)壁、第四節(jié)后側(cè)壁的長(zhǎng)度依次為411.50mm、970mm、250mm、710mm。

基于tosca的臥式加工中心立柱的拓?fù)鋬?yōu)化方法：

1、拓?fù)鋬?yōu)化流程及數(shù)學(xué)模型

靜剛度和動(dòng)剛度是衡量立柱性能的重要指標(biāo)，采用線性加權(quán)和法將同時(shí)提高靜動(dòng)剛度的多目標(biāo)優(yōu)化轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化。利用有限元軟件abaqus和拓?fù)鋬?yōu)化軟件tosca對(duì)gij630臥式加工中心立柱進(jìn)行分步拓?fù)鋬?yōu)化：第一步拓?fù)鋬?yōu)化，以多工況柔度最小化和低階固有頻率最大化為優(yōu)化目標(biāo)，在滿足功能要求和裝配條件下，擴(kuò)大初始優(yōu)化模型的設(shè)計(jì)區(qū)域，完成立柱外輪廓優(yōu)化，數(shù)學(xué)模型如式1；在外輪廓優(yōu)化的基礎(chǔ)上，以多工況變形最小和低階頻率最大為優(yōu)化目標(biāo)，約束立柱外輪廓，完成內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，數(shù)學(xué)模型為公式2，提出一種全新的立柱變截面設(shè)計(jì)方案，使立柱的靜動(dòng)態(tài)剛度提高，質(zhì)量減輕，立柱拓?fù)鋬?yōu)化流程如圖6所示。

其中，φ(x)、ω(x)為目標(biāo)函數(shù)；ωi、ωj為加權(quán)系數(shù)；ci(x)為第i種工況下結(jié)構(gòu)的柔度；u是節(jié)點(diǎn)位移矢量；k是結(jié)構(gòu)剛度矩陣；fj是各階頻率；v(x)是優(yōu)化后模型體積；v0(x)為優(yōu)化前模型的體積；δ是體積分?jǐn)?shù)，0＜δ＜1；ui(x)為第i種工況下所選節(jié)點(diǎn)的變形；ux、uy、uz為節(jié)點(diǎn)x、y、z方向的變形矢量。

2立柱載荷分析

gij630臥式加工中心的結(jié)構(gòu)如圖5所示，主軸箱嵌入溜板中，由絲杠和滑塊導(dǎo)軌副實(shí)現(xiàn)y向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；溜板嵌入立柱中，由絲杠牽引，通過(guò)起連接作用的導(dǎo)軌滑塊副實(shí)現(xiàn)x向運(yùn)動(dòng)；立柱安裝在床身上，起支承溜板和主軸箱的作用。由機(jī)床部件的裝配關(guān)系可知，立柱所受載荷主要來(lái)自機(jī)床刀具末端的切削力及主軸箱、溜板的重力。

在機(jī)床有限元分析中，滑塊導(dǎo)軌結(jié)合面的載荷分布對(duì)機(jī)床局部應(yīng)力影響較大，但對(duì)整體應(yīng)力分布影響較小。在滿足整機(jī)剛度的前提下，為了方便計(jì)算，對(duì)結(jié)合面的載荷分布做適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理：(1)受力分析時(shí)，忽略滑塊導(dǎo)軌副的摩擦，假設(shè)移動(dòng)方向的載荷全部由滾珠絲杠提供；(2)將每個(gè)滑塊區(qū)域的載荷等效為沿著坐標(biāo)軸方向的集中力，受力點(diǎn)為滑塊中點(diǎn)；(3)力單獨(dú)作用時(shí)，每個(gè)結(jié)合面平均分配該方向載荷；力矩單獨(dú)作用時(shí)，等效為結(jié)合面上若干對(duì)大小相等、方向相反的力偶；每個(gè)結(jié)合面最終載荷為各個(gè)載荷的疊加[10]。選取主軸箱位于溜板中部時(shí)進(jìn)行分析，以x向滑塊與導(dǎo)軌結(jié)合面為坐標(biāo)系x-y平面，四個(gè)滑塊的對(duì)稱中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立如圖7所示的力學(xué)模型。

由受力分析，可以求出滑塊上的支反力和支反力矩：

按上述力分析簡(jiǎn)化原則，得到每個(gè)滑塊上的力為：

式中：fx、fy、fz是滑塊上的支反力；mx、my、mz滑塊上的支反力矩；fx、fy、fz是刀具末端的切削力；g1為主軸箱重力；g2為溜板重力；fqx表示立柱上絲杠的牽引力；fij表示j滑塊處i向的力(i＝x,y,z；j＝1,2,3,4)；a、b、c分別表示刀具末端、主軸箱重心、溜板重心位置；l1、l2分別為滑塊x向、y向的跨距。

3、立柱拓?fù)鋬?yōu)化

3.1拓?fù)鋬?yōu)化前處理

根據(jù)gij630臥式加工中心立柱的裝配關(guān)系，提取x、y、z三個(gè)方向的最大尺寸，將立柱簡(jiǎn)化為一個(gè)框中框結(jié)構(gòu)的實(shí)心質(zhì)量塊，同時(shí)保留導(dǎo)軌，軸承座等關(guān)鍵裝配部位。

在abaqus中，設(shè)置立柱的材料屬性為楊氏模量145e9pa，泊松比0.27，密度7.2e3kg/m³。根據(jù)機(jī)床x向行程，選取溜板處于立柱左極限位置、中間位置和右極限位置三種工況進(jìn)行靜力分析和模態(tài)分析，約束立柱底面x、y、z三個(gè)方向的移動(dòng)自由度，采用十節(jié)點(diǎn)的四面體單元對(duì)立柱進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置導(dǎo)軌、軸承座和底面為凍結(jié)區(qū)域，進(jìn)行有限元分析。

3.2外輪廓拓?fù)鋬?yōu)化

將立柱前處理的有限元分析結(jié)果.inp文件導(dǎo)入到tosca軟件中，采用基于敏度的優(yōu)化算法，以溜板位于立柱左、右極限位置和中間三個(gè)位置的多工況加權(quán)靜態(tài)應(yīng)變能最小，前三階固有頻率加權(quán)最大(權(quán)值均為1)為優(yōu)化目標(biāo)，以優(yōu)化后體積與優(yōu)化前體積的體積比小于等于40％為約束條件，進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，結(jié)果如圖8、9所示。。

第一步拓?fù)鋬?yōu)化可以得到立柱外輪廓的最優(yōu)材料分布結(jié)果，從中圖8、9的模型中提取立柱外輪廓的特征：①上橫梁在x方向呈兩邊窄中間寬的“棗核型”；②上橫梁y向?yàn)樯险聦挼奶菪危虎巯聶M梁中間的封閉矩形結(jié)構(gòu)優(yōu)化為筋板結(jié)構(gòu)。對(duì)立柱的外輪廓進(jìn)行設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，考慮到立柱上橫梁x方向兩端在裝配中需要安裝軸承座，所以將上橫梁x方向設(shè)計(jì)為等寬度，對(duì)外輪廓模型進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.3內(nèi)部結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化

將外輪廓設(shè)計(jì)模型作為第二步內(nèi)部結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的初始模型，在abaqus中對(duì)模型進(jìn)行與外輪廓拓?fù)鋬?yōu)化初始優(yōu)化模型相同的前處理，凍結(jié)區(qū)域增加外輪廓表面。為了提高機(jī)床的加工質(zhì)量，應(yīng)減小導(dǎo)軌的變形，取每種工況下導(dǎo)軌受力點(diǎn)的變形表示導(dǎo)軌的變形。在tosca中，設(shè)置目標(biāo)函數(shù)為三種工況下受力點(diǎn)的絕對(duì)位移加權(quán)最小和前三階頻率加權(quán)最大為目標(biāo)函數(shù)，體積約束為小于等于35％，同時(shí)添加凍結(jié)和對(duì)稱幾何約束，進(jìn)行第二步拓?fù)鋬?yōu)化，其拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果的截面圖如圖10、11所示。

對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果進(jìn)行分析，可知與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)相比較，優(yōu)化模型具有兩個(gè)特點(diǎn)：①材料集中分布在外輪廓上；②外輪廓材料分布不均勻，壁厚不斷變化。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，對(duì)模型進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中，外形尺寸保持第一次優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果不變，主要考慮內(nèi)部壁厚的變化規(guī)律，得到最終的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。

4優(yōu)化結(jié)果分析

為了驗(yàn)證最終的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型是否滿足靜動(dòng)態(tài)性能和輕量化的設(shè)計(jì)要求，需要對(duì)最終的優(yōu)化設(shè)計(jì)模型進(jìn)行有限元分析，并與原模型進(jìn)行對(duì)比。

4.1靜剛度校核

立柱靜剛度指的是立柱抵抗變形的能力，評(píng)價(jià)指標(biāo)為力與該力引起的變形的比值。在載荷相同的情況下，可以用變形來(lái)表示剛度的變化，圖12、13、14為極限載荷下三種工況立柱導(dǎo)軌的變形曲線，對(duì)每種工況下立柱導(dǎo)軌進(jìn)行xyz三個(gè)方向進(jìn)行校核，選取最大位移代表該種情況下立柱的變形，與原模型進(jìn)行對(duì)比，將變形的減小量轉(zhuǎn)化為靜剛度的提高量，結(jié)果如表1所示。

表1.立柱變形對(duì)比表

從圖9中可以看出，新設(shè)計(jì)模型的導(dǎo)軌變形小于原模型，立柱剛度明顯提高；從表1中可以看出，立柱在三個(gè)方向的靜剛度均有所提高，x向和z向剛度提高較明顯，y向剛度提高量較少。由于立柱z向靜剛度是相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié)，結(jié)果顯示z向剛度提高幅度較明顯，驗(yàn)證了該拓?fù)鋬?yōu)化方法的有效性和新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的合理性。

4.2動(dòng)剛度校核

對(duì)立柱進(jìn)行分析，不僅要考慮其強(qiáng)度和剛度方面的靜態(tài)性能，還要分析其彎曲和扭轉(zhuǎn)的動(dòng)態(tài)特性，所以要對(duì)立柱進(jìn)行模態(tài)分析。由于低階模態(tài)對(duì)機(jī)床加工質(zhì)量的影響較大，所以僅對(duì)立柱的前三階模態(tài)進(jìn)行分析。立柱原模型與優(yōu)化模型前三階振型圖如圖15、16、17所示，頻率比較結(jié)果如表2所示。

表2.立柱頻率對(duì)比表

從振型圖中可以看出，立柱一階振型為沿z軸方向的前后俯仰，二階振型為沿x軸的左右擺動(dòng)，三階振型為沿x軸的扭轉(zhuǎn)。

從表2中可以看出，優(yōu)化后立柱的前三階頻率均得到提高，其中一階固有頻率提高的幅值最大，為40.77％，三階頻率提高也較明顯，提高幅度最小的是二階頻率，僅提高了5.15％。經(jīng)驗(yàn)證，優(yōu)化后立柱的動(dòng)態(tài)性能符合設(shè)計(jì)要求。

4.3質(zhì)量校核

經(jīng)計(jì)算，原立柱模型的質(zhì)量為4.62t，設(shè)計(jì)立柱模型的質(zhì)量為4.14t，減輕了10.39％。因此，立柱新設(shè)計(jì)模型在靜動(dòng)態(tài)性能提高的前提下，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。

上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的基本設(shè)計(jì)理念進(jìn)行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實(shí)施方式，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍內(nèi)，還可以利用上述內(nèi)容做出些許改動(dòng)，但凡根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)所做的任何改動(dòng)，仍屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。