立式加工中心立柱結構分析與優化

常 備，王一品，劉澤宇，陳稀波，鄧亮明

（廣州大學機械與電氣工程學院，廣州 510006）

0 引言

隨著制造業的轉型升級，對加工中心的需求逐漸增加。因此結合現代設計方法對加工中心進行分析和優化，對解決生產周期長、成本高有很大幫助。

國內外長期對機床改良優化進行探索，隨著計算機輔助設計的進展，機床動態優化設計逐漸成熟[1]，逐漸形成結合工況的拓撲優化來解決工程問題[2]。優化研究已逐步從設備的優化改良階段步入生產設計階段，提高設計效率和科學性。本文將從分析和優化兩個方面處理問題。將立柱進行材料優化分布改良，不僅實現加工難度降低、材料浪費減少，還能提升加工中心的性能和動態響應特性，將加工中心結構大件進行分析設計并完成輕量化。降低成本，提高企業利潤。

1 立式加工中心立柱結構模型建立

立式加工中心主要包括床身、主軸箱、立柱三大部分，其中立柱與床身以螺栓連接，主軸箱通過導軌在立柱上進行進給。對于立式加工中心，立柱是整個設備關鍵的基礎構件。本文設計的加工中心立柱結構加工方法為整體鑄造后機加工得到，內部中空，外壁版內側有筋板加強其剛性，筋板布局采用井字型加強。

1.1 立柱實體模型建立

立式加工中心由床身、主軸箱、立柱三大部分構成，其中立柱與床身以螺栓連接，主軸箱連接在導軌上。在加工中心工作狀態，立柱作為主要承受載荷的機構[3]，要對其強度和剛度進行仿真測試。對加工中心立柱進行測量后用SolidWorks建立模型，如圖1所示。

圖1 加工中心立柱

根據加工中心的工況和基本參數，整理出一些數據反映加工中心工作狀態的載荷和振動情況，反映加工中心優化時需要確定的強度和剛度要求。其基本參數參考如表1所示。

表1 立式加工中心基本參數

1.2 有限元模型建立

有限元模型的建立運用到了CAE（計算機輔助工程）技術，CAE 是現代設計中非常常用的參考，不僅將載荷對零件的影響模擬和仿真分析，而且能在設計階段就發現整個零件的薄弱部位并加以優化改進[4]。

對于立式加工中心，立柱是整個設備關鍵的基礎構件。立柱不僅承受自重和主軸箱刀具盤等重量，還要承受切削時的切削力，因此必須保證其強度和剛度符合工作要求，以保證工作時的可靠性和穩定性。因此需要對立柱結構進行有限元靜力學分析，以此判斷立柱的結構是否符合工作要求。將SolidWorks模型進行模型簡化，刪除倒角、孔洞等影響不大但表面復雜的特征，導入ANSYS-workbench 中對模型進行有限元分析，假定所有材料密度均勻分布，連接可靠[5]。

ANSYS提供了智能劃分網格功能，可以簡化后直接導入ANSYS 仿真軟件中，進行網格劃分。由于各個線條之間配合關系復雜，因此網格以就近的線段相似情況進行劃分，適用于表面復雜的多表面自由劃分[6]。在選擇單元體時選擇四面體，確保有限元模型的處理精度。由于立柱結構孔洞筋板眾多，表面復雜不規則，故對各個單元統一采用四面體網格劃分，如圖2所示。

圖2 立柱結構網格劃分

2 加工中心立柱結構有限元分析

2.1 載荷分析

對加工中心進行了分析，設定主軸箱工作位置進給到立柱的導軌最上部且進行銑削加工的極限位置，是立柱和主軸箱受載荷和形變最大之處。在此工況下，主軸箱和立柱結構所受到的切屑力按該式計算。

式中：Fx為進給時x方向受力，Fy為進給時y方向受力，Fz為進給時的z方向力受力。

將相關參數代入得：Fx=1330，Fy=3600，Fz=2216。

2.2 靜力學分析

在workbench中對模型設定約束和施加載荷，其中底部螺栓部位為和床身的連接處，以此設定為約束。導軌最上端為模擬的主軸箱極限位置，在此施加最大載荷。經計算得到位移云圖和應力分布圖，如圖3～4所示。

圖3 立柱結構位移云圖

圖4 立柱結構應力云圖

從所得立柱的位移云圖可以得知，在載荷和力的作用下形成的位移，在導軌最上端為變形程度極值，x、y、z三個方向引起的不同位移表示每個方向對盈利承載能力的差異。立柱下端形變較小，且立柱頂部的變形最大，以此為依據對立柱的整體結構和筋板分布拓撲優化可以達到剛度提高和輕量化。

由所得立柱應力分布云圖可知，立柱結構的應力分布狀況。應力分布較為均勻，局部單元應力集中，說明整體網格劃分較合適，能保證仿真精度。其中，立柱云圖中可看到和床身連接處螺栓附近和導軌下部處有應力集中現象，這是由于內部筋板和結構分布不均勻所導致。但應力集中情況對整個結構影響較小，遠小于許用應力200 MPa。

3 立柱結構拓撲優化及改進

3.1 立柱結構拓撲優化

通過拓撲優化對立柱劃分區域并保留原導軌施加一定的約束和載荷，以此劃分可優化的設計區域，通過不斷迭加得到可優化材料的概念模型。以概念模型為指導進行立柱結構設計得到立柱結構模型[7]。

圖5 拓撲優化云圖

圖6 優化設計后的立柱

使用仿真軟件HyperWorks，運用其前處理模塊Hyper-Mesh 提供的有限元模型前處理功能進行立柱結構模型處理，對立柱結構進行拓撲優化。對于優化結果中密度大于0.5的單元予以保留，經多次迭代后得到立柱優化概念模型，以此去除部分對性能影響較小的材料進行立柱結構設計[8]。優化密度云圖如圖5所示。

3.2 基于概念模型的結構設計

結合有限元分析和立柱的拓撲優化概念模型，可由圖5中看出立柱結構有部分可以去除的材料，以此為根據對立柱整體進行設計優化，移除部分材料和布置減重孔后，可以得到立柱整體的合理優化。外輪廓的更改和內部筋板排列方式更改后，得到的立柱模型如圖6所示。

對優化后的結構再施加工作狀態的約束和載荷，對立柱結構進行有限元分析。立柱優化前后的結果進行對比如表2所示。可以得知立柱結構優化設計后，靜剛度有所提高，同時完成減重，質量減少了11.1%。

表2 優化前后參數對比

4 結束語

本文對立式加工中心立柱結構進行有限元建模和分析，并對其進行拓撲優化設計得到材料最優化分布概念模型，基于此進行設計得到新的結構。經過測試對比，提高其剛性的同時使其重量減輕了11.1%，完成了輕量化。