基于衍生式設計的機床主軸箱的結構優化

李 楊，曹貴崟，楊 林

(貴州裝備制造職業學院，貴州 清鎮 551400)

0 引言

家用臺式車床是一種用于小型零件制造的教學型機床。家用型臺式車床的尺寸相對于工業及車床來說已經微型化很多，質量相對來說也輕便很多。家用型臺式車床自身的溜車板部件目前采用鋼件鑄造成型，滿足了床身的強度、剛度等條件要求，但整個床身質量依然較大，在制作過程中對材料的耗損較高。李天箭[1]等介紹了機床輕量化設計中常用的現代設計方法，重點評述基于結構仿生的輕量化設計方法，從方法、實現手段、輕量化效果等方面進行分析，為一般機械結構的輕量化設計提供了參考。薛會民[2]等利用尺寸優化和拓撲優化設計方法，對機床床身進行結構優化設計，綜合優化后床身質量降低了3.52%，有效降低了應力和變形量，對提升機床床身剛度提供了參考。

本文以SIEG SC6-550型家用臺式車床為研究對象，采用一種全新輕量化的衍生式設計方法，基于歐特克公司的Fusion 360軟件設計平臺，支持使用安全、集成的概念到生產工具快速、輕松地探究設計理念，完成機床主軸箱輕量化設計，并將優化前后的箱體進行靜力學分析，驗證優化結果，有效減輕機床的質量，在滿足強度、剛度等使用條件下獲得質量更輕便的床身結構，并且使零部件在工業產品創新設計方面，獲得較為美觀合理的模型結構。

1 主軸箱靜力學分析及優化目標確定

1.1 主軸箱結構

本次設計主要針對SIEG SC6-550型(圖1)教學臺式車床的主軸箱進行輕量化設計，主軸箱是一個復雜的傳動部件，主要支承主軸并使其旋轉，實現主軸啟動、制動、變速和換向等功能。根據實際測量尺寸，運用三維設計軟件建立主軸箱模型，如圖1所示。

圖1 SIEG SC6-550型臺式車床及主軸箱模型

1.2 有限元分析

機床主軸箱位于車床左方床身上，由鑄造的方式制造而成，材料為鑄鋼，支承主軸并使其旋轉，實現主軸啟動、制動、變速和換向的作用，另外在加工的過程中還能抵抗一定的沖擊，所以主軸箱受力主要為主軸旋轉產生的扭矩，扭矩的大小受切屑力的影響，通過計算車床的最大車削力，可以計算出該力的大小。對圖2中主軸箱模型進行靜應力分析，分析材料設置為鑄鋼，根據車削力的大小，載荷工況設置為：在兩側軸承座表面分別施加1500 N載荷，方向相反，主軸箱底面施加固定約束，經過網格劃分、設計區域劃分、加載等處理后得到主軸箱應力及位移分布，如圖2所示。

圖2 主軸箱模型靜力分析結果

由圖2可知，最大位移在主軸箱兩側軸承座邊緣處，最大值為1.26×10-3mm，最大應力在箱體底部兩側，最大值為2.977 MPa，最小安全系數為15。

2 主軸箱零件衍生設計

2.1 衍生設計方法

衍生式設計屬于輕量化設計優化方法的一種，但衍生式設計與傳統的優化設計方法在優化算法上有著本質的區別。該方法是一種模仿自然進化的設計方法，區別于計算設計，一般我們認為：衍生式設計是人類和計算機之間的協作設計的過程。在此過程中，設計人員定義設計參數，計算機生成設計方案(備選方案)，根據設計人員設定的可量化目標對其進行評估，使用以前的結果和設計人員的反饋改進研究，并根據設計的原始目標對結果進行排名。這個過程中，涉及了很多的算法，例如遺傳算法、機器學習、迭代優化等。

本文將采用衍生式設計方法，基于Autodesk公司的Fusion 360軟件設計平臺，完成機床主體結構輕量化設計。衍生設計是在設計過程中模仿自然進化的一種設計方法，它采用深度學習和遺傳算法，由設計師或工程師將設計目標(可以是載荷、尺寸、安裝孔的位置、運動干涉等條件)輸入到設計軟件中，用戶先輸入目標、約束條件和優先項(例如重量、安全系數、材料偏好、制造方法和成本限制)，然后開始與軟件技術合作。軟件在工作中將人工智能(AI)和云計算相結合，探索數以千計的選項，找出最佳的結果。它能夠更快地解決復雜的問題，并能提供比人類更多潛在的解決方案，與生成式設計不同，該軟件將探索解決方案的所有可能排列，快速生成設計備選方案。

圖3 計算設計與衍生設計方法比較

圖4 衍生設計步驟流程圖

以下是衍生設計如何工作的逐步細分，流程圖如圖4所示。

2.2 主軸箱衍生設計

2.2.1 衍生設計預處理

根據上述分析，在衍生設計的過程中，載荷工況設置為：在兩側軸承座表面分別施加方向相反，大小為1500 N的載荷，主軸箱底平面施加固定約束，對于箱體的設計目標是在滿足使用和功能要求的結構強度下，獲得最小化質量為最優解，所以將設計目標設定為質量最優，最小安全系數默認2.0保持不變，Fusion360在制造中提供了多種加工方法，包括增材、切削、鑄造等，不僅如此，Fusion360還提供了豐富的材料以供分析使用，為了后期便于制造本文選擇增材的制造方式，在本次分析中不僅滿足強度要求還要滿足剛度要求，在此分析中依然選擇鑄鋼材料。最后預檢查滿足分析所需的所有條件，即可通過云計算得到衍生式設計的結構模型。

2.2.2 衍生設計后處理

通過衍生式設計方法可以得到多個結構設計模型，如圖5所示，四個結果中只有一個可行，因為不收斂或者溢出可能帶來設計缺陷。所以需要對這些設計方案做進一步分析處理，分析不同設計模型的結構以及各項參數指標，對設計參數進行迭代修正。生成滿足在衍生式分析中指定的設計要求的結果。在后處理界面的方案視圖中選擇合適的模型。

圖5 衍生設計迭代模型

圖6 衍生設計結果

通過比較不同模型的質量與最大等效應力、加工方式等，得到最優的模型，其質量為7.957 kg，最大等效應力為56.1 MPa，如圖6所示，然后導出模型。

圖7 衍生機構光固化模型

圖6為運用遺傳算法快速演變出適應需求的結構方案，該方案運用傳統的基于多軸機床的加工方法較難實現，隨著增材制造技術的發展，可以采用增材制造來實現復雜結構的加工。本文運用光固化3D打印技術，將衍生設計的箱體結構按數字模型與實際零件1∶1的比例制作出實物零件，如圖7所示，以驗證其配合精度。

2.2.3 衍生設計結果對比

圖8為衍生設計前后模型應力分布對比，經過對比發現，在未進行衍生設計前床身箱體結構的最大應力明顯集中在主軸箱支撐兩側，重量為15.246 kg；進行衍生設計后的箱體結構無明顯應力集中部位，分布均勻，重量僅為7.957 kg。通過上述分析表明，經過衍生設計后的箱體模型滿足原始模型的強度和剛度要求。

圖8 計算設計模型與衍生設計模型應力分布對比

通過靜力學結構仿真分析的結果，并測量其實際的力學特性，并在仿真中加以驗證。然后在仿真中設計實際工況，并根據設計準則相等，指導驗證仿真實驗，考察結果顯示衍生式設計得到的設計模型滿足使用要求，且通過與傳統設計理念設計出的模型參數對比可知，運用衍生式設計方法優化后的模型總體質量較原始模型輕量化了52.19%，優化效果十分明顯。

3 結論

通過運用歐特克公司基于云計算的軟件平臺仿真分析模塊對選定的設計模型進行靜力學結構分析，然后對SIEG SC6-550型家用臺式車床傳動結構關鍵零件主軸箱進行衍生設計后，得到輕量化的箱體模型，其應力、位移等都滿足設計要求，并得到輕量化設計的結果。其質量也大大的降低，從而達到節省材料成本的輕量化設計目的。