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混凝土数控机床支承件组合结构设计与优化研究

黄华 李典伦 邓文强 刘强

黄华, 李典伦, 邓文强, 刘强. 混凝土数控机床支承件组合结构设计与优化研究[J]. 机械科学与技术, 2021, 40(3): 394-402. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200062
引用本文: 黄华, 李典伦, 邓文强, 刘强. 混凝土数控机床支承件组合结构设计与优化研究[J]. 机械科学与技术, 2021, 40(3): 394-402. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200062
HUANG Hua, LI Dianlun, DENG Wenqiang, LIU Qiang. Design and Optimization of Concrete Supporting Components for CNC Machine Tools[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2021, 40(3): 394-402. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200062
Citation: HUANG Hua, LI Dianlun, DENG Wenqiang, LIU Qiang. Design and Optimization of Concrete Supporting Components for CNC Machine Tools[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2021, 40(3): 394-402. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200062

混凝土数控机床支承件组合结构设计与优化研究

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200062
基金项目: 

国家自然科学基金项目 51965037

国家自然科学基金项目 51565030

详细信息
    作者简介:

    黄华(1978-), 副教授, 博士, 研究方向为数控技术与装备, hh318872@126.com

  • 中图分类号: TP391.9

Design and Optimization of Concrete Supporting Components for CNC Machine Tools

  • 摘要: 作为数控机床的基础件,支承结构在很大程度上决定了机床的性能,然而基于传统材料的机床结构的优化几乎已接近极值。针对这种情况,提出了一种基于混凝土的组合结构并应用在支承件中。以床身为对象,采用外部钢板、内部填充混凝土制作“三明治”式组合结构,并对导轨进行预埋和稳定性增强设计。首先对铸铁床身以及混凝土床身结构进行动、静力学分析和比较;其次以导轨的静变形为约束条件,对导轨的支撑结构进行优化设计以增强结构稳定性;然后对组合结构床身进行稳态和瞬态热分析验证其热性能。最后,将该方法应用到某卧式加工中心的床身设计与优化中。仿真结果表明:混凝土组合结构床身与原铸铁床身的静刚度基本接近,但动态性能、热性能有了显著提高,并且降低了成本,证明了该结构的可行性。
  • 图  1  卧式加工中心结构

    图  2  导轨受力分析

    图  3  纯铸铁床身导轨力学模型

    图  4  铸铁床身静力加载示意图

    图  5  组合结构机床床身

    图  6  未加导轨支撑件组合结构床身力学模型

    图  7  铸铁床身热稳态分析

    图  8  组合结构床身热稳态分析

    图  9  床身瞬态热分析云图

    图  10  床身瞬态热分析坐标图

    图  11  导轨预埋支撑件示意图

    图  12  加入导轨支撑件组合结构床身力学模型

    图  13  导轨支撑件参数表示

    图  14  立柱下导轨

    图  15  导轨支撑件结构尺寸灵敏度图

    图  16  工作台下导轨及床身

    图  17  工作台下导轨灵敏度图

    表  1  混凝土组合结构床身与原型卧式加工中心床身静力对比

    类型 重量 最大静变形(导轨处) 最大静应力(导轨处)
    原床身 17 392 kg 0.275 μm 0.181 2 MPa
    组合结构床身 8 760 kg 0.515 μm 0.262 4 MPa
    变化率 49.63% 87.27% 44.81%
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    表  2  混凝土组合结构床身与原床身固有频率对比

    模态阶次 原床身/Hz 组合结构床身/Hz 变化率/%
    1阶 959.53 1 633.7 70.26
    2阶 975.88 1 900.2 94.71
    3阶 1 016 1 914.5 88.44
    4阶 1 044.90 2 026.7 93.96
    5阶 1 077.50 2 053.1 90.54
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    表  3  组合结构床身与纯铸铁床身导轨部分的静刚度对比

    类型 最大静变形/ μm 最大静应力/ MPa
    组合结构床身
    预埋导轨无支撑件
    0.515 0.262 44
    组合结构床身
    预埋导轨有支撑件
    0.300 0.166 3
    纯铸铁床身 0.275 0.181 23
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    表  4  加入导轨支撑件对组合结构床身动态性能影响

    阶数 导轨无支撑件/Hz 导轨有支撑件/Hz
    1 1 633.7 1 630.5
    2 1 900.2 1 886.5
    3 1 914.5 1 910.3
    4 2 026.7 2 025.3
    5 2 053.1 2 048.2
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    表  5  不同钢板厚度复合结构床身成本

    外部钢板厚度t/mm 质量M/kg 成本C/元
    5 6 726.1 15 640.44
    7 6 864 16 871.04
    9 7 002 18 090.48
    11 7 138.2 19 299.12
    13 7 272.7 20 495.88
    15 7 406.8 21 681.84
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    表  6  导轨支撑件结构优化前后静变形与应力对比

    类型 最大静变形/μm 最大静应力/MPa
    优化前 0.300 0.166 34
    优化后 0.298 0.163 25
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  • 收稿日期:  2019-10-31
  • 刊出日期:  2021-03-01

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