基于空間靜剛度的工作臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)

邵睿 SHAO Rui；姚琳 YAO Lin

（中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840）

1 綜述

放射性物品貯存運(yùn)輸容器為放射性物品的安全貯存、運(yùn)輸提供了足夠的輻射屏蔽，完整的包容邊界，可靠的熱量導(dǎo)出及有效的結(jié)構(gòu)支撐等，有利于國(guó)家防治放射性污染，改善環(huán)境質(zhì)量。容器主要由容器蓋、內(nèi)筒體、外筒體、中子吸收體、格架等組成。容器蓋、筒體、密封圈及相關(guān)包容貫穿件構(gòu)成了容器的包容邊界，可有效避免放射性物質(zhì)彌散到環(huán)境中。為確保包容邊界的可靠、有效密封，包容貫穿件所在位置如螺栓孔、密封圈槽的加工質(zhì)量尤為重要，可使用數(shù)控加工中心完成鉆孔、銑削等操作。

數(shù)控加工中心因主軸布置不同[1]，常分為立式數(shù)控加工中心和臥式數(shù)控加工中心。立式數(shù)控加工中心的主軸垂直安放，常用于加工盤套類零件，因其工作臺(tái)水平放置，方便工件裝夾和實(shí)時(shí)了解加工狀態(tài)，但立柱剛度與高度成反比，當(dāng)需要加工容器中特定位置孔位時(shí)，主軸行程受限。同時(shí)，立式加工中心在鉆深盲孔操作時(shí)，切屑在重力作用下容易堆積，影響連續(xù)加工效率，刀具帶出的切屑容易劃傷螺栓密封面。臥式數(shù)控加工中心的主軸常為水平安放，一次裝夾可完成多個(gè)面的加工，較適合加工箱體類零件。

結(jié)合立式與臥式加工中心的優(yōu)勢(shì)，盡量避免切屑劃傷已加工表面，提高工作實(shí)效，翻板臥式加工中心應(yīng)運(yùn)而生，如圖1所示。

圖1 某型翻板臥式加工中心

某型翻板臥式加工中心機(jī)床主機(jī)與工作臺(tái)相對(duì)獨(dú)立，主機(jī)主要有：主體機(jī)械結(jié)構(gòu)（床身、立柱、溜板箱）、三向傳動(dòng)系統(tǒng)（X向雙導(dǎo)軌-滑塊系統(tǒng)、Y向雙滾珠絲杠系統(tǒng)、Z向偏置滾珠絲杠系統(tǒng)）、主軸系統(tǒng)、動(dòng)力輸入系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)等組成。

工作臺(tái)有效加工區(qū)域?yàn)?m×2m。整體結(jié)構(gòu)為框架式，由可放置工件的翻板，支撐翻板的框架，以及驅(qū)動(dòng)翻板翻轉(zhuǎn)的滾珠絲杠及輔助定位夾緊結(jié)構(gòu)組成。

以加工容器蓋螺栓孔和密封圈槽為實(shí)際需求，工作臺(tái)全過(guò)程動(dòng)作如下：翻板水平時(shí)完成容器蓋定位裝夾，兩根滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)翻板旋轉(zhuǎn)90°至垂直狀態(tài)，經(jīng)過(guò)楔塊定位、液壓夾緊，確保翻板臺(tái)更加可靠的處于工作位置，主軸對(duì)刀后完成既定加工。加工過(guò)程中切屑在自重作用下排出，完成全部孔位和密封圈槽加工后，翻板從垂直狀態(tài)轉(zhuǎn)為水平狀態(tài)。

翻板臥式加工中心不僅便于排出高速高效鉆、銑切產(chǎn)生的大量切屑，避免二次熱變形和二次切削，同時(shí)，有利于實(shí)現(xiàn)工件在生產(chǎn)線的自動(dòng)運(yùn)送，提高整體生產(chǎn)線的工作效率。

2 靜態(tài)特性分析

靜態(tài)特性一般指在不運(yùn)動(dòng)時(shí)受到靜態(tài)載荷所表現(xiàn)出來(lái)的特性[2]，主要指靜剛度分析。剛度描述的是力與力作用方向的位移之間的關(guān)系，機(jī)床的靜剛度不足時(shí)，很容易引起變形[3]，因而直接影響加工精度。機(jī)床靜剛度分析有著重要的意義。

翻板臥式加工中心工作臺(tái)相對(duì)獨(dú)立于主機(jī)，當(dāng)機(jī)床工作時(shí)，切削力在主機(jī)的傳遞路線為：刀具——電主軸——套筒——滑枕——溜板——立柱——床身——基礎(chǔ)；在工作臺(tái)的傳遞路線為：工件——工作臺(tái)翻板——工作臺(tái)框架——基礎(chǔ)。

首先，建立翻板臥式加工中心的1:1數(shù)字樣機(jī)，為后續(xù)仿真分析與實(shí)驗(yàn)提供有效模型。因模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜；商業(yè)有限元軟件對(duì)非關(guān)鍵路徑識(shí)別易出現(xiàn)網(wǎng)格尺寸為零、計(jì)算不收斂情況。為節(jié)約計(jì)算資源，關(guān)注主要計(jì)算需求，對(duì)模型適當(dāng)簡(jiǎn)化：去掉了細(xì)小的非結(jié)構(gòu)孔、工藝倒角，滾珠絲崗等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)焊縫填充處理，使得整體質(zhì)量變化較小工作臺(tái)簡(jiǎn)化模型如圖2所示。

圖2 工作臺(tái)簡(jiǎn)化模型

工作臺(tái)翻板形狀規(guī)則，選擇均布的9個(gè)作用點(diǎn)分析，如圖3所示，以圖中第1個(gè)點(diǎn)為基本原點(diǎn)，得到其余8點(diǎn)坐標(biāo)如表1所示。

圖3 工作臺(tái)受力分析觀測(cè)點(diǎn)

表1 工作臺(tái)受力分析觀測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)

工作臺(tái)是一個(gè)包含各零部件，以及零部件間結(jié)合面的連續(xù)質(zhì)量物體，結(jié)合前期研究成果，結(jié)合面等效模型采用彈簧-阻尼單元。靜剛度分析中不涉及動(dòng)態(tài)與頻率相關(guān)的特性，因而靜態(tài)結(jié)合面建模時(shí)，彈簧-阻尼系統(tǒng)只需要考慮剛度特性與方向關(guān)系。影響最大的是結(jié)合面的固有材料特性，如材料種類、表面質(zhì)量等；其次是結(jié)合面幾何形狀、邊界尺寸等具體表現(xiàn)形式；還有實(shí)際工況中的靜載荷等外因，工作臺(tái)結(jié)合面參數(shù)如下：

①工作臺(tái)下部?jī)蓚€(gè)支撐平面：

法向剛度1.32×1010N/μm

切向剛度4.29×109N/μm

②工作臺(tái)下部液壓缸鎖緊位置處：

法向剛度2.80×109N/μm

切向剛度9.07×108N/μm

③工作臺(tái)上部液壓缸鎖緊位置處：

法向剛度3.28×109N/μm

切向剛度1.06×109N/μm。

在workbench軟件中，解除工作臺(tái)主要結(jié)合面的Fixed約束，在結(jié)合面幾何中心添加三向Spring單元，并定位對(duì)應(yīng)剛度數(shù)值。

有限元分析中的網(wǎng)格劃分一般應(yīng)綜合考慮結(jié)構(gòu)本身特性，以及分析工況下其受力情況，再選擇有限元單位的類型及密度。工作臺(tái)網(wǎng)格劃分如圖4所示，總節(jié)點(diǎn)數(shù)81376個(gè)，共有單元44575個(gè)。

圖4 工作臺(tái)網(wǎng)格劃分

結(jié)合容器鉆孔常用工藝參數(shù)，設(shè)定翻板臥式加工中心主軸三向切削力均為1400N。通過(guò)有限元軟件計(jì)算得到9個(gè)觀測(cè)點(diǎn)變形量，如圖5所示。

圖5 工作臺(tái)觀測(cè)點(diǎn)變形量

工作臺(tái)X和Y方向剛度近似，Z方向的變形在3，5，8點(diǎn)位置對(duì)整體剛度影響較大，初步判斷為剛度薄弱環(huán)節(jié)。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化設(shè)計(jì)是在確定薄弱部件及位置的基礎(chǔ)上，通過(guò)一定的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法修改相關(guān)結(jié)構(gòu)，再考察優(yōu)化分析結(jié)果是否符合要求，如此循環(huán)至得出最優(yōu)結(jié)論[4，5]。

現(xiàn)工作臺(tái)尺寸長(zhǎng)4.96m、高4.24m，不滿足國(guó)家公路運(yùn)輸有關(guān)規(guī)定和企業(yè)運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)。為提高工作臺(tái)剛度，解決運(yùn)輸審批受限問(wèn)題，結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作重點(diǎn)在于工作臺(tái)上部分。首先去掉橫梁降低整體高度，夾緊點(diǎn)隨之下移。

支撐點(diǎn)下移后，側(cè)壁板結(jié)構(gòu)也需要隨之改動(dòng)。為設(shè)計(jì)合適的側(cè)壁結(jié)構(gòu)，去掉原有側(cè)面支撐，設(shè)計(jì)兩個(gè)板件替代并通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化尋找最優(yōu)結(jié)構(gòu)。側(cè)板原有結(jié)構(gòu)重量占待優(yōu)化板件重量的18%，相應(yīng)的設(shè)置優(yōu)化參數(shù)中目標(biāo)縮減量為80%，施加Z向作用力1400N，選擇更密集的網(wǎng)格劃分，以便獲得較為準(zhǔn)確的優(yōu)化結(jié)構(gòu)，根據(jù)優(yōu)化思路重新設(shè)計(jì)側(cè)壁板結(jié)構(gòu)。

設(shè)置相同邊界條件，分析壁板優(yōu)化之后的工作臺(tái)，在工作臺(tái)6點(diǎn)處，Z方向變形約為0.64μm，在工作臺(tái)7點(diǎn)處，Z方向變形約為0.24μm，在工作臺(tái)8點(diǎn)處，Z方向變形約為14.3μm，如圖6所示，工作臺(tái)優(yōu)化前后形變量對(duì)比如表2所示。

圖6 優(yōu)化后三個(gè)位置應(yīng)變分析

表2 工作臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)前后形變量

由表2可知，優(yōu)化設(shè)計(jì)后7位置與8位置變形量降低，但兩個(gè)位置的變形量差值增大。

力作用點(diǎn)各處變形大小與支撐位置有著密切的關(guān)系，同時(shí)根據(jù)材料力學(xué)彎曲變形公式，變形也與截面形式，長(zhǎng)度等有關(guān)系，可以較為合理的解釋6位置，7位置，8位置變形不一致。

為避免出現(xiàn)實(shí)際加工過(guò)程中，在三向力作用下不同方向變形差異引起的加工誤差，對(duì)翻板結(jié)構(gòu)繼續(xù)優(yōu)化改進(jìn)。一是考慮支撐對(duì)稱布置，挪動(dòng)B處支撐，使得A處支撐與B處支撐分別到翻板上下表面距離相同；二是為縮小8位置處變形，參考溜板箱筋板設(shè)計(jì)，使筋板呈線性排列；三是為了使工作臺(tái)上部分受力結(jié)構(gòu)一致，布置空心筋板，如圖7所示。

圖7 工作臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)后新結(jié)構(gòu)

使用原有邊界條件，計(jì)算新結(jié)構(gòu)變形情況。與原結(jié)構(gòu)在6位置，7位置，8位置處的變形對(duì)比如表3所示。

表3 新結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)對(duì)比

新結(jié)構(gòu)三個(gè)位置的變形量之差小前兩種結(jié)構(gòu)，且總重減少約8%，因而對(duì)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)改進(jìn)是有一定參考價(jià)值的。考慮新結(jié)構(gòu)工作臺(tái)三向靜剛度，對(duì)比優(yōu)化前后的工作臺(tái)靜剛度特性，如表4所示，可知改進(jìn)后的工作臺(tái)結(jié)構(gòu)有效提升靜特性。

表4 新工作臺(tái)與原工作臺(tái)靜特性對(duì)比

4 結(jié)論

本研究中優(yōu)化設(shè)計(jì)部分，采用了尺寸優(yōu)化，形狀優(yōu)化以及拓?fù)鋬?yōu)化等多種優(yōu)化方法，提出的去掉橫梁，優(yōu)化側(cè)壁板、支撐結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，降低了工作臺(tái)總高度，減少了總重，為避免運(yùn)輸受限提供了思路和方向，并有效提升工作臺(tái)靜剛度，有一定的工程參考價(jià)值。