机床主轴箱轻量化设计流程研究.pdf

第 l 2期 2 0 1 4年 1 2月 组 合 机 床 与 自动 化 加 工 技 术 M o d u l a r M a c h i ne To o l Au t o m a t i c M a n uf a c t u r i ng Te c h ni q u e NO． 1 2 De c ．2 01 4 文章编号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 4 1 2 0 0 1 4 0 5 D O I 1 0 ． 1 3 4 6 2 ／ j ． e n k i ． m m t a m t ． 2 0 1 4 ． 1 2 ． O O 4 机床主轴箱轻量化设计流程研究 水 孙守林 ， 刘建栋 ， 董惠敏 ， 王德伦 ， 王德胜 ， 申会鹏 1 ． 大连理工大学 机械工程学院， 辽宁 大连 1 1 6 0 2 4； 2 ． 大连机床集 团有限责任公 司， 辽宁 大连 1 1 6 6 2 01 摘要 文章研 究了机床主轴箱轻量化设计流程 ， 同时根据该设计流程 ， 以 D L 3 2 M机床 主轴箱轻量化 设计为例， 通过确定主轴箱轻量化设计指标 ， 建立主轴箱物理模型 ； 然后对主轴箱进行概念设计和结 构方案设计 ， 并且对设计结果进行性 能分析与评价 ； 最后得到合理的主轴箱轻量化设计结果。机床 主轴 箱轻量 化设 计流 程可 为机床 支承 件 轻量化 设计提 供规 范。 关键词 机床 支承件 ； 轻量化 设 计 ； 设 计指 标 ； 物 理模 型 中图分类号 T H 1 3 2 ； T G 5 0 6 文献标识码 A On Li g ht we i g ht De s i g n Pr o c e s s o f La t he S pi nd l e Bo x S U N S h o u l i n ， L I U J i a n d o n g ， D ONG Hu i rai n ， WAN G D e l u n ， WAN G De - s h e n g ， S HE N Hu i - p e n g I ．S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，D a l i a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，D a l i a n L i a o n i n g 1 1 6 0 2 4 ， C h i n a ； 2 ． D a l i a n M a c h i n e T o o l G r o u p C O ． ， L T D， D a l i a n L i a o n i n g 1 1 6 6 2 0 ， C h i n a Abs t r a c t Re s e a r c h i n g l i g h t we i g h t d e s i g n p r o c e s s o f s p i n d l e b o x，Ta k e l i g ht we i g h t d e s i g n o f DL3 2 M l a t h e s p i n d l e b o x a s a e x a mp l e a c c o r d i n g t o t h e p r o c e s s ．De t e r mi n i n g l i g h t we i g h t d e s i g n s p e c i f i c a t i o n s of s p i n d l e b o x，e s t a b l i s h i n g s p i n d l e b ox p h y s i c a l mo d e l ，c o mp l e t i n g c o n c e p t u a l d e s i g n a n d s t r u c t u r a l d e s i g n f o r t h e s p i n d l e b o x ，t a k i n g p e r f o r ma n c e a n a l y s i s a n d e v a l u a t i o n f o r t h e r e s u l t s o f s p i n d l e b o x，r e c e i v i n g r e a s o n a b l e r e s u l t s of s p i n d l e b o x l i g h t we i g h t d e s i g n，Fo r mi n g s p i n d l e b o x l i g h t we i g h t d e s i g n．Th e p r o c e s s wi l l p r o v i d i n g r e f e r e n c e a n d g u i d a n c e f o r s u p p o r t i ng me mb e r ’ S l i g h t we i g ht d e s i g n o f ma c h i n e t o o 1 ． Ke y wo r d ss u p p o rti n g me mb e r o f ma c h i n e t o o l ；l i g ht we i g h t d e s i g n；d e s i g n s p e c i fic a t i o ns ；p h y s i c a l mo d e l 0 引言 机床轻量化设计是指， 在满足机床性能的前提下 尽可 能得减少 支承件 的 重量 ， 从 而 达 到减少 原 材料 和 能源损耗 ， 实现绿色制造的 目的。2 1世纪以来 ， 机床 绿色制造已经成为制造业的发展趋势 ， 机床轻量化设 计也成为研究重点 与热点。高性能 的轻量化设计要 求 ， 对支承件的设计提出了挑战。因此 ， 以降低机床材 料损耗为 目标的轻量化设计体现 了绿色、 经济和节能 的现代制造技术要求 ， 轻量化设计对指导生产的机床 制造业具有重 要 的经济 意义 。 近年来国内外的科研工作者针对机床轻量化设计 进行了不少的探索与研究。赵玲、 卢天健、 宋冬冬等讨 论了机床轻量化设计 的研究现状与进展 、 轻质材料和 结构在机床中的应用、 实现轻量化设计 的优化方法和 算法 ； L ．K r o l l 等探讨 了轻量化设计对机床能效的 影响 ； 马超、 赵二鑫、 孙谦 、 王海云等利用有限元结构 优化方法实现了加工中心立柱和车削中心床鞍的轻量 化设计 训； 邢俏芳 等探讨了机床支承件结构单元特 征与静态性 能关系 ， 实现对机 床轻 量化 设计 。郭 垒 等人对元结构方法进行了理论建模和验证。这些工作 均为机床轻量化设计提供了很好的范例。但上述研究 均未提出较为完善的机床轻量化设计流程。 本文 提 出 机 床 主 轴 箱 轻 量 化 设 计 流 程 ， 并 以 D L 3 2 M车床主轴箱轻量化设计为例 ， 对主轴箱轻量化 设计流程进行研究 ， 力求从一般性角度论述机床结构 件或支承件的轻量化设计流程化 、 规范化问题。 1 主轴箱轻量化设计基本 流程 主轴箱轻量化设计流程主要包括 确定设计指标、 建立物理模型 、 概念设计 、 结构方案设计 、 性能分析与 评价以及支承件方案结果确定如图 1所示。主轴箱轻 量化设计指标是指完成设计后 ， 主轴箱需要达到的设 计要求， 也是结构方案设计后性能评价的依据； 物理模 收稿 日期 2 0 1 40 32 2 修 回日期 2 0 1 4 0 41 4 基金项 目 机电产品绿色制造基础标准与应用 2 0 1 2 A A 0 4 0 1 0 2 ； 机电产品绿色制造基础数据库与采集评测 系统开发 一机床轻量化设计数据库技 术研究 2 0 1 2 A A 0 4 0 1 0 1 3 作者简介 孙守林 1 9 6 4 一 ， 男 ． 辽宁大连人 ， 大连理工大学副教授 ， 研究方向为机械设计及其理论研究， Em a i l s u n s 1 3 4 d l u t ． e d u ． C lfl 。 2 0 1 4年 1 2月 孙守林， 等 机床主轴箱轻量化设计流程研究 1 5 型则是包括主轴箱几何尺寸 、 材料特性以及约束载荷 在内的轻量化设计模 型； 通过对物理模型进行拓扑优 化得到主轴箱的材料分布即概念模型； 再通过概念模 型的结构方案设计得到主轴箱具体的结构方案； 最后 ， 根据提出的性能评价指标对得出的结构方案进行性能 分析与评价， 确定最终主轴箱的设计结果。本文运用 上述流程 ， 通 过对 D L 3 2 M 车床 主轴箱 的轻量 化设 计 ， 对流程的每一步进行具体的阐述。 设 计 指标确 定 物理 模型 建立 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． l ． ． ． ．． ． ．． ． ． ．． ． ． ．． ． ．． ． ． ．． ． ．． 一 概 念设 计 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． l ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ． ． 一 结构 方案 设计 ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．． l ． ． ． ．． ． ．． ． ． ．． ． ． ．． ． ．． ． ． ．． ． 一 性 能 分析 与评 价 支 承件 方案设 计结 果 图 1 机床主轴箱轻量化设计基本流程 2 主轴箱轻量化设计指标确定 2 ． 1 轻量化设计的技术条件 如前所述 ， 机床轻量化设计多为对现有机床 的改 进， 因而常存在一种参考机型作为设计始点。即使是 全新设计 ， 轻量化设计过程也是 以方案设计 的基本构 型作为的起点。另外， 尽管在理论上直接对整机进行 轻量化设计是可行的， 但由于对计算机资源的消耗过 大 ， 往往导致低效率， 甚至计算过程无法完成， 因而机 床轻量化设计主要针对单个结构件或少量件组合的方 式进行。本文以 D L 3 2 M卧式车床支承件中主轴箱 以 下简称主轴箱 为研究对象展开讨论。 结构轻量化设计过程涉及到包含结构信息的三维 几何模型建立 、 包含材料特性信息和载荷信息的物理 模型的形成、 利用有限元工具进行工作状态分析、 优化 拓扑结构起先概念设计实现较优性能 目标等关键环 节 。这些环节均需相 应 的工具 软件的支持 。本文分 别 采用 P r o e进行三维建模 、 H y p e r me s h进行物理模型建 立 、 O p t i S t r u c t 进行 概 念设 计 、 A n s y s 进 行 性能 分 析 ， 进 而构成为整个设计过程的技术基础。 目前， 结构轻量化设计过程 尚不能完全摆脱人工 的参 与 ， 甚至在 各环 节 间 的过渡 也需 要人 工 干预 。因 而 ， 轻化设计过程是由人与计算机共同完成。 2 ． 2 设计指标的确定 受机床应用的限制， 通常要求保证机床工作时具 有适当的加工精度。对机床精度的要 求并非越高越 好 ， 而应根据客户需要选择合理参数。分析机床精度 的影响因素 ， 轻量化设计要求主要指标有如下几个方 面 1 基本性能指标 基本性能指标是指保证设计对象满足基本设计要 求所能达到的工作能力。其 中包括满足强度条件 、 静 态刚度条件 、 动态刚度条件、 使用寿命等 ， 即由机床基 本设计规范限定的设计指标。 2 轻量化性能指标 主轴箱轻量化设计的重点就是减重。机床 中较大 结构件质量的大小直接涉及 到原材料的消耗和成本， 一 般质量会作为主轴箱设计的成本指示器。因此在基 本性能指标完全相同的前提下质量最小化应是轻量化 设 计 的理想 目标 。然而 当设计参数 或结构拓扑 发生 改 变时， 很难找到基本性能指标完全相同的设计解。为 了评价不同设计结果的优劣， 将各设计结果对应 的基 本性能指标与其所对应质量 的比作为单位化衡量标 准。如用刚度与质量的比值 简称刚质 比 可表示单 位质量的材料对刚度的贡献率。刚质比高表明其花费 较少的材料获得了较大 的刚度。在保证性能的前提 下 ， 刚质 比越高 ， 则表 明轻量化效 果越好 。 3 特定 件的特殊要 求 对于机床中的某些结构件在设计过程中除上述两 项指标外 ， 可能还需要满足某种特殊要求。在设定轻 量化设计 目标时也应给予必要的关注。 比如对机床主轴箱而言， 由于轴承工作时产生的 热会导致主轴和主轴箱的热变形 ， 为了尽量减小温升， 保证主轴箱底座与床身有足够的热传导接触面积则设 为机床主轴箱的独特要求。 3 主轴箱轻量化设计 的关键 技术环节 3 ． 1 物理 模 型建 立 机床结构件物理模型是轻量化设计初始点， 不 同 的物理模 型会得到不 同的优化结 果 。物理模 型构 造过 程主要包括构造几何模型、 载荷求解、 约束等效 、 有限 元网格划分以及载荷约束施加等五部分。 3 ． 1 ． 1 根据原有几何模型和原始几何模型 构建几何模型包括两部分工作 其一是原有设计 模型的数字化 ， 以作为优化结果的评价参考， 主轴箱的 原模型如图 2所示 ； 其二是构建以原设计结构为基础 轻量化初 始模型 。后 者可保持原 设计外形 轮廓和 功能 结构 ， 保留结合面所需结构如轴承、 丝杠 、 线轨 、 滑轨 、 丝杠螺母等的安装座 ， 然后将原来 由筋板或内部空腔 占据的空间均填实 ， 形成相对简单的实心结构 ， 如图 3 所示 ● ● 图 2 主轴箱原模型 图 3 主轴箱简化后模型 为了提高后续计算的效率， 可忽略原几何模型上 对设计结果影响较小一些次要几何特征 ， 如螺纹孔 、 小 圆角等。 3 ． 1 ． 2 工况选择与载荷求解 为了使设计对象在所有工况下都具有 良好的工作 1 8 组合机床与 自动化J j - r 技术 第 1 2期 3 ． 4 性能分析与评价 机床主轴箱结构方案设计完成后需要对设计结构 进行静态性能分析与评价， 从而确定设计后的主轴箱结 构的合理性， 构件主轴箱性能分析模型如图 1 O所示。 图 1 O主 轴箱 性 能 分析 模 型 1 主轴箱性能分析参数 确定机床主轴箱性能分析参数作为性能分析与评 价 的依据。如以主轴箱 向静刚度即受载时 向位移 以及质量大小作为性能分析参数。 2 建立 主轴箱 性能分析模 型 按照优化物理模 型的建立方法建立性能分析模 型， 网格大小为 l 0 ， 载荷施加在主轴箱轴承安装处 ， 采 用螺栓约束。 3 性能分析结果评价 根据主轴箱性能分析结果对比各方案质量以及静 刚度大小 ， 得出主轴箱轻量化设计性能分析结果， 评价 出较为合理 的结构方案 。 4 结论 根据主轴箱轻量化设计流程， 对 D L 3 2 M卧式车床 主轴 箱进行轻量 化 的设计 ， 得 到 的设 计 结果 在 保证 性 能指标的前提下 比原模型重量减少 1 1 ． 8 ％， 满足了机 床主轴箱轻量化设计指标。 通过对 D L 3 2 M车床主轴箱进行轻量化设计 ， 完成 轻量化设计指标， 证明主轴箱轻量化设计流程能够指 导设计人员完成主轴箱的轻量化设计。 机床主轴箱轻量化设计流程对机床轻量化设计具 有指导意义， 也可为机床支承件轻量化设计提供规范。 [ 参考文献] [ 1 ]赵岭， 王婷， 梁明， 等． 机床结构件轻量化设计的研究现状 与进展 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 1 2 ， 4 0 1 5 1 8 ． [ 2 ]宋冬冬， 芮执元， 刘军， 等． 机床床身结构优化的轻量化技 术[ J ] ． 机械制造， 2 0 1 2 ， 5 0 5 3 7 6 56 9 ． [ 3 ]L ．K r o l l ， P ．B l a u ，M．Wa b n e r ，U ．F r i e [3 ， J ．E u l i t z ，M． Kl a r ne r ． L i g h t we i g h t c o mpo n e n t s f o r e ne r g y e ffi c i e n t ma c h i n e t o o l s ．J o u r n a l o f Ma n u f a c t u ri n g S c i e n c e a n d T e c h n o l o g Y， 201 1， 4 1 48 1 6 0． [ 4 ]马超 ， 马雅丽， 赵宏安， 等．V H T S 0 0立式车铣加工中心立 柱结构静动态优化及轻量化设计[ J ]． 组合机床与 自动 化加工技术 ， 2 0 1 1 3 1 1 1 5 ． [ 5 ]赵二鑫． 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p r o c e s s s t a b i l i t y i n mi l l i n g wi t h S p i n d l e S p e e d Va ria t i o n b y u s i n g t h e C h e b y s h e v Co l l o c a t i o n Me t h o d J{ J o u rnal o f S o u n d a n d Vi b r a t i o n 2 01 4． 3 3 3 6 4 6 6 6 8 ． [ 6 ]V i n c e n t T h e v e n o t， L i o n e l A r n a u d ， G i l l e s 1 e s s e i n ， i l l e s C a z e n a v e L a r r o e h e ．I n t e g r a t i o n o f d y n a mi c b e h a v i o u r v a ria t i o n s i n t h e s t a b i l i t y l o be s me t ho d 3 D l o be s c o n s t r uc t i o n a n d a p p l i c a t i o n t o t h i n w al l e d s t r u c t u r e m i l l i n g [ J ] T h e I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f Ad v a n c e d Ma n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g y 2 0 0 6， 2 7 6 3 86 4 4． [ 7 ]王保升．瞬时 铣削力 模型参 数辨 识及其 试 验研究 [ D] ． 镇江 江苏大学， 2 0 1 1 ． [ 8 ]李广旭， 刘强． 刀具几何参数对铣削加工稳定性影响的实 验与仿真[ J ] 农业机械学报， 2 0 0 8 ， 3 9 1 0 1 9 41 9 7 ． [ 9 ]李 中伟 ，龙新华 ， 孟 光．基 于 Ma g n u s G a u s s i a n截断 的铣 削系统稳定性 的半离散分析法 [ J ] ． 振 动与冲击 ， 2 0 0 9， 2 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