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泡沫铝夹芯结构机床立柱多目标优化设计

于英华 单翔宇 范中海 孙苗苗

于英华, 单翔宇, 范中海, 孙苗苗. 泡沫铝夹芯结构机床立柱多目标优化设计[J]. 机械科学与技术, 2021, 40(1): 63-68. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200015
引用本文: 于英华, 单翔宇, 范中海, 孙苗苗. 泡沫铝夹芯结构机床立柱多目标优化设计[J]. 机械科学与技术, 2021, 40(1): 63-68. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200015
YU Yinghua, SHAN Xiangyu, FAN Zhonghai, SUN Miaomiao. Multi-objective Optimization Design of Machine Tool Column with Foamed Aluminum[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2021, 40(1): 63-68. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200015
Citation: YU Yinghua, SHAN Xiangyu, FAN Zhonghai, SUN Miaomiao. Multi-objective Optimization Design of Machine Tool Column with Foamed Aluminum[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2021, 40(1): 63-68. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200015

泡沫铝夹芯结构机床立柱多目标优化设计

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200015
基金项目: 

国家自然科学基金项目 51375219

辽宁省教育厅重点实验室项目 2008S106

详细信息
    作者简介:

    于英华(1965-), 教授, 博士,研究方向为机械设计及理论、先进制造技术与系统,xuvicky199128@163.com

  • 中图分类号: TH122;TH166

Multi-objective Optimization Design of Machine Tool Column with Foamed Aluminum

  • 摘要: 为探索提高机床综合性能的新途径,提出了泡沫铝夹芯结构立柱新构型。首先,选取XK714数控机床立柱为原型,运用等刚度设计理论和轻质性设计理论初步设计泡沫铝夹芯结构机床立柱;然后,运用多目标优化设计的方法对泡沫铝夹芯结构机床立柱进行优化设计;最后,对原型立柱和优化前后的泡沫铝夹芯结构立柱的静、动、热态性能及轻质性进行对比分析。结果证明:泡沫铝夹芯结构机床立柱在提高机床立柱乃至整机的静、动、热态性能及轻质性方面的有效性。
  • 图  1  原型立柱结构简图

    图  2  泡沫铝立柱截面简图

    图  3  泡沫铝夹芯结构立柱截面区域划分

    图  4  原型立柱受力简图

    图  5  等效应变云图

    图  6  等效应力云图

    图  7  泡沫铝夹芯结构立柱前3阶振型图

    图  8  XK714立柱热源分部

    图  9  立柱温度场热载荷施加模型

    图  10  立柱热变形云图

    表  1  原型立柱的主要截面尺寸参数

    标号 尺寸/mm
    H1 370
    H2 320
    H3 80
    H4 15
    B1 350
    B2 300
    B3 34
    B4 15
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    表  2  两种立柱涉及的材料参数

    材料 密度ρ/(g·mm-3) 弹性模量E/Pa 泊松比μ
    泡沫铝 5.4×10-4 1.2×1010 0.33
    HT200 7.2×10-3 1.44×1011 0.3
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    表  3  两种立柱的结构参数及对比

    立柱种类属性 抗弯刚度/(Pa·mm-4) 质量/kg
    原型立柱
    1.35×1020 582.32
    泡沫铝夹芯结构立柱 1.37×1020 492.43
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    表  4  两种立柱静态性能

    参数 原型立柱 泡沫铝夹芯结构立柱 变化量
    最大等效应变/mm 2.160 0×10-5 1.979 0×10-5 -8.38%
    最大等效应力/MPa 2.852 8 2.645 7 -7.26%
    总质量/kg
    582.32 492.43 -15.44%
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    表  5  两种立柱前3阶模态固有频率

    阶次 原型立柱固有频率/Hz 泡沫铝夹芯结构立柱固有频率/Hz 变化量/%
    1 136.15 140.24 3.00
    2 138.43 143.44 3.62
    3 344.30 349.29 1.45
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    表  6  两种材料主要性能参数

    材料 密度/(g·mm-3) 弹性模量/Pa 泊松比 导热系数W/(m2·℃) 比热J/(kg·℃) 热膨胀系数/℃
    HT200 7.2×10-3 1.44×1011 0.30 39.2 480 1.0×10-5
    泡沫铝 5.4×10-4 1.2×1010 0.33 10.0 1 100 1.9×10-5
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  • [1] 李宇鹏, 巴春来, 刘来超.采用结构仿生的重型机床立柱的综合优化[J].中国机械工程, 2019, 30(13):1621-1625, 1637 doi: 10.3969/j.issn.1004-132X.2019.13.015

    LI Y P, BA C L, LIU L C. Comprehensive optimization of heavy machine columns using structural bionics[J]. China Mechanical Engineering, 2019, 30(13):1621-1625, 1637 (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1004-132X.2019.13.015
    [2] 鞠家全, 邱自学, 任东, 等.采用灰色理论和组合赋权法的机床立柱设计与研究[J].机械科学与技术, 2017, 36(9):1388-1395 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0913

    JU J Q, QIU Z X, REN D, et al. Design and research for column of machining tool using grey theory & combination weight[J]. Mechanical science and technology for Aerospace Engineering, 2017, 36(9):1388-1395 (in Chinese) doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0913
    [3] MÖHRING H C, BRECHER C, ABELE E, et al. Materials in machine tool structures[J]. CIRP Annals, 2015, 64(2):725-748 doi: 10.1016/j.cirp.2015.05.005
    [4] AGGOGERI F, MERLO A, MAZZOLA M. Multifunctional structure solutions for Ultra High Precision (UHP) machine tools[J]. International Journal of Machine Tools and & Anufacture, 2010, 50(4):366-373
    [5] 于英华, 孙苗苗, 徐平, 等.BFPC数控车床斜床身拓扑优化设计及其性能分析[J].机械科学与技术, 2018, 37(7):1034-1040 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2018.0706

    YU Y H, SUN M M, XU P, et al. Topological optimization design and performance analysis of BFPC oblique bed CNC lathe[J]. Mechanical science and technology for Aerospace Engineering, 2018, 37(7):1034-1040 (in Chinese) doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2018.0706
    [6] 何改云, 李素乾, 郭龙真, 等.机床基础大件支撑预变形设计方法研究[J].机械科学与技术.2018, 37(1):70-75 doi: 10.3969/j.issn.2095-509X.2018.01.016

    HE G Y, LI S Q, GUO L Z, et, al. Research on design methodology for support pre-deformation of large machine tools body[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2018, 37(1):70-75 (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.2095-509X.2018.01.016
    [7] 于英华, 高级, 王烨, 等.BFPC填充结构机床立柱设计及其性能分析[J].机械设计与研究, 2018, 34(2):100-102, 112 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JSYY201802024.htm

    YU Y H, GAO J, WANG Y, et al. Design and performances analysis of machine tool column filled with BFPC[J]. Machine Design & Research, 2018, 34(02):100-102, 112 (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JSYY201802024.htm
    [8] YU Y H, GAO J, XU P, et al. Multi-objective optimization design and performance analysis of machine tool worktable filled with BFPC[J]. Materials Science and Engineering, 2018, 439:042005.
    [9] 赵家黎, 黄利康, 吴丽媛, 等.复合机床动态耦合特性分析及优化[J].机械科学与技术, 2019, 38(7):1067-1073 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2019.20180281

    ZHAO J L, HUANG L K, WU L Y, et al. Analysis of dynamic coupling characteristics of composite machine tool and optimization[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2019, 38(7):1067-1073 (in Chinese) doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2019.20180281
    [10] 徐平, 石瑞瑞, 阮文松, 等.泡沫铝夹芯结构汽车顶板的研究[J].机械科学与技术, 2016, 35(10):1636-1640 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1027

    XU P, SHI R R, RUAN W S, et al. Studying car roof of aluminum foam sandwich structure[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2016, 35(10):1636-1640 (in Chinese) doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2016.1027
    [11] 肖振.泡沫铝填充结构机床工作台结构设计与性能研究[D].阜新: 辽宁工程技术大学, 2013: 1-10

    XIAO Z. Research on design characteristics of machine tool moving table with aluminum foam-filled structure[D].Fuxin: Liaoning Technology University, 2013: 1-10 (in Chinese)
    [12] 陆剑中, 孙家宁.金属切削原理于与刀具[M].5版.北京:机械工业出版社, 2011:46-64

    LU J Z, SUN J N. The principles of metal cutting in the tool[M]. 5th ed. Beijing: Machinery Industry Press, 2011:46-64 (in Chinese)
    [13] 陈勇, 王青春, 徐伟.XK714/1数控铣床螺距误差补偿[J].机床与液压, 2012, 40(8):24-26 doi: 10.3969/j.issn.1001-3881.2012.08.009

    CHEN Y, WANG Q C, XU W. The compensation of pitch error for XK714/1 CNC milling machine[J]. Machine Tool & hydraulic, 2012, 40(8):24-26 (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1001-3881.2012.08.009
    [14] 孙晓辉, 丁晓红, 王师雷, 等.高刚度轻质量的机床床身优化设计方法研究[J].机械科学与技术, 2013, 32(10):1461-1465 https://journals.nwpu.edu.cn/jxkxyjs/article/id/5136

    SUN X H, DING X H, WANG S L, et al. Study on the optimization method of the machine tool bed with high stiffness and light weight[J]. Mechanical science and technology for Aerospace Engineering, 2013, 32(10):1461-1465 (in Chinese) https://journals.nwpu.edu.cn/jxkxyjs/article/id/5136
    [15] 李想.复合混凝土立式加工中心床身热性能研究[D].大连: 大连交通大学, 2014: 1-3

    LI X. Thermal performance study on composite concrete machining tool bed[D]. Dalian: Dalian Jiaotong University, 2014: 1-3 (in Chinese)
    [16] 田久良, 洪军, 朱永生, 等.机床主轴-轴承系统热-力耦合模型及其动态性能研究[J].西安交通大学学报, 2012, 46(7):63-68 https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XAJT201207013.htm

    TIAN J L, HONG J, ZHU Y S, et al. Thermo-mechanical coupling model and dynamical characteristics of machining spindle-bearing system[J]. Journal of Xi'an Jiaotong University, 2012, 46(7):63-68 (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XAJT201207013.htm
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  • 收稿日期:  2019-09-24
  • 刊出日期:  2021-01-01

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