轻质多孔结构在机床工作台中的应用研究.pdf

1 68 机 械设 计 与制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 第 1 1 期 2 0 1 3年 1 1月 轻质多孔结构在机床工作台中的应用研究 张勇， 闫媛媛 ， 杨飞 陕西科技大学 机电工程学院， 陕西 西安7 1 0 0 2 1 摘要 将轻质多孔结构应到高速立式加工中心的工作台结构中， 设计出了一种新型的机床工作台一多孔结构工作台， 与原工作台相比多孔结构工作台的总质量减少了1 6 ． 3 3 7 k g ， 从而减小了高速h z r_ 过程 中产生的惯性力， 并对两种不同结 构的工作台分别进行 了静力学分析和模态分析。 分析结果表明 多孔结构工作台比原工作台的最大静变形减小了2 0 ． 9 ％， 并且多孔结构工作台的前 6 阶固有频率平均增加 8 7 ． 3 3 H z ， 最大增加了1 9 1 ． 5 6 H z ； 说明将多孔结构应用到机床工作台中 的方法是有效的， 这将为改变传统的工作台筋板设计提供一种新的思路。 关键词 机床工作台； 轻质多孔结构； 静动态分析 中图分类号 T H1 6 ； T G 5 0 2 ．4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 3 1 1 - 0 1 6 8 0 3 L i g h t Po r o u s S t r u c t u r e i n t h e Ma c h i n e Ta b l e Ap p l i e d Re s e a r c h ZHANG Yo n g，YAN Yu a n - y u a n，YANG F e i Me c h a n i c a l a n d E l e c t ri c a l E n g i n e e ri n g C o l l e g e ，S h a a n x i U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， S h a n n x i X i ’ a n 7 1 0 0 2 1 ， C h i n a A b s t r a c t L i g h t p o r o u s s t r u c t u r e w a s use d i n t o t h e m a c h i n e w o r k t a b le s t r u c t u r e o fh i g h s p e e d v e r t i c a l m a c h i n i n g c e n t r e h e r e ， a n d d e s i g n e d a n e w t y p e o fm a c h i n e t abl e - - p o r o us s t r u c t u r e w o r k t abl e ，a n d i t s t o t a l m a s s r e d u c e d 1 6 ． 3 3 7 k g c o m p a r e d w i t h t h e D ， w o r k t abl e ， d e c r e a s e d t h e i n e r t i a f o r c e g e n e r a t e d d u r i n g t h e h i gh s p e e d p r o c e s s i n g a c c o r d i n g l y ， and c a r r i e d o n t he s t a t i c a n a l y s i s a n d m o d a l a n a l y s is t o t h e t w o k i n d of w o r k t abl e s t r u c t u r e ，s e p a r at e l y ． T h e anal y s i s r e s u l t s s h o w t h a t t h e m a x i mu m s t atic d e f o r m a t i o n o ft h e p o r o us s t r u c t u r e w o r k t abl e dec r e ase d 2 0 ． 9 ％ t h an t h e o r i g i n a l w o r k t able．a l s o t h e fir s t s i x n a t u r alf r e q u e n c i e s o f i t i n c r e ase d 8 7 ． 3 3 Hz e q u a l l y ． t h e m a x i mu m r e ached 1 9 1 ．5 6 HL／ t i n d i c at e s t h at t h e m e t h o d o f p u t t i n g p o r o u s s t r u c t u r e i n t o t h e m a c h i ne w o r k t able is e ffe c t i v e ， w h i c h w i l l p r o v i d e a new t r a i n of t h o u g h t for t h e t r a d i t i o n a l s t iff e ner w o r k t ab l e de s i g Ke y W o r d s M a c h i n e Ta b l e ； Li g h t P o r o u s S t r u c t u r e ； S t a t i c a n d Dy n a m i c An a l y s i s 1引言 多孔材料作为轻质材料的一种是 2 0世纪发展起来的崭新 材料体系， 其显著特征是具有规则排列， 大小可调的孔道结构及 高的比面积和大的吸附容量， 在纳米材料组装及航空航天等领域 被广泛应用【 11 。 正方形蜂窝夹层结构作为多孔材料结构中的一种， 其具有高的比刚度、 比强度和缓冲吸振等特性。工作台作为高速 加工中心的基础件， 其静、 动态特性将直接影响到加工中心整体 的加工精度和稳定性。 所以， 对工作台的结构进行研究， 提高其各 项性能就尤为重要。 将轻质多孔结构应用到机床工作台的结构设 计中， 将有可能得到很好的轻量化效果和力学特性。 2工作台的几何建模 按照 D V G 8 5 0高速立式加工中心工作台的实际尺寸 ，利用 P r o ／ E软件建立了原工作台的实体模型 为了减少计算此处将一 些局部特征如倒角、 凸台、 螺钉孑 L 等进行了适当简化1“2 1 ， 如图 1 所 示。根据原工作台的结构特点去除其内部的筋板， 将正方形多孔 结构设计为筋板布置， 其中， 正方形单元边长 L 5 l mm， 壁厚 占 3 m m， 并通过一系列的阵列、 装配最终建立的轻质多孔结构工作 台模型 ， 如图 2 所示 。 3工作台的静力学分析 3 ． 1定义材料及边界条件 根据实际情况， 设置两种不同结构工作台的材料为灰铸铁 ， 取其密度为 7 2 0 0 k m ， ， 泊松比为 0 ．2 5 ， 杨氏模量为 1 6 0 G P a ； 工作 台是由导轨上的四个滑块定位， 可以沿 方向移动， 故限制四个 接触面在 y、 z方向的移动， 方向设为自由； 机床实际加工过程 中丝杠和丝杠母座间是不允许发生相对移动， 所以， 限制丝杠母 座孔的 向移动。 3 ． 2定义载荷 为了更准确的分析工作台的实际受力情况，取该加工中心 常见加工工况 主轴转速为6 0 0 0 r ／ m i n ， 高速钢铣刀直径为 5 0 m m， 来稿 日期 2 0 1 3 一 O 1 一 l 5 基金项目 “ 高档数控机床与基础制造装备” 科技重大专项 2 O o 9 z x 0 4 0 0 1 _ o l 4 加2 作者简介 张勇， 1 9 6 6 一 ， 男， 陕西人， 硕士生导师， 主要研究方向 过程装备与控制工程； 闰媛嫒， 1 9 8 9 一 ， 女， 陕西人， 硕士研究生， 主要研究方向 机械设计