五轴电火花成形机运动构件的瞬态动力学分析及结构优化

论文摘要

在我国,航空航天、精密模具、发电设备及汽车等许多制造领域,有很多高精度、高熔点、高硬度、高韧性、高强度以及高脆性等难切削材料的零件需要通过多轴联动的电火花成形机床进行加工。然而,在我国多轴联动电火花成形机床的发展比较落后,制约了我国航空航天、汽车及模具等制造行业的发展。现阶段,国内市场上的多轴电火花成形机大都是四轴三联动的,存在加工质量不稳定、加工效率低、工艺范围窄和智能化程度低等缺陷。总体上,制约我国电火花成形机床发展的因素主要是控制系统、工艺数据库和机床刚性三个方面。其中,提高机床的刚性就可以实现瞬间快速抬“刀”(电极),而这将会大大提高加工质量的稳定性和拓宽工艺范围,再加上联动轴数的增加,使得加工一些非常复杂的型面不再是问题。因而对多轴电火花成形机的研究将会使得我国许多行业再次迎来新的快速发展,那么对机床的刚性分析显得非常必要。苏州电加工机床研究所有限公司研发的三轴电火花成形机已经具备一定的精密性,但也存在自动化低和刚性较差等缺陷,然而如用常规设计方法研发新产品时研发周期会太长。为此,本课题提出利用CAD/CEA协同仿真的设计方法对五轴成形机床进行刚性分析并提高它来缩短研发周期。运动轴的精度决定了机床的精度,并且机床的刚性主要受运动轴的动态特性影响。针对该问题本课题对五轴电火花成形机中由X、Y、Z和C轴组成的运动构件进行瞬态动力学分析并进行零部件结构的优化及参数的确定性分析。本课题主要进行了如下工作：首先,利用Pro/E建立组成构件的零件模型和构件的组装模型；分析机床主轴头的受载情况并利用ANSYS Workbench对该构件模型进行瞬态动力学分析；分析动态载荷引起构件模型的位移和应力的响应曲线以及云图。然后,根据分析结果显示的构件中托板和滑枕刚性较差,对施加了等效动载荷和边界约束的两个零件进行了初步的结构优化及对整个构件模型进行了结构优化；通过分析零件和构件模型的目标参数的灵敏度,得到了一组使得构件结构最优的参数。最后,由于优化过程中引入的尺寸参数具有一定的随机性和不确定性,因而对前面内容得到的参数进行了参数确定性分析,依据参数的统计分布概率值分析参数用于实际设计的可信程度,从而进一步提高优化后参数值的可靠性。通过本课题的工作,使得该运动构件的最大位移降低6.99%(刚性提高6.99%)、质量降低2.67%(成本降低2.67%)和最大应力降低了12.24%,预期达到了提高机床的刚性、降低成本和缩短产品研发周期的目的。通过实际实验,其结果佐证了仿真结果是具有可靠性的,因而该分析结果对工程师设计零部件具有一定的参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 国内外成形机发展现状
• 1.2.1 国外成形机发展现状
• 1.2.2 国内发展现状
• 1.3 课题研究的背景与意义
• 1.4 课题研究的内容
• 第2章 电火花成形机动态分析的基础
• 2.1 电火花成形机的工作原理
• 2.2 电极、工件和工作液间相互作用的流体动力学理论
• 2.3 动态有限元分析理论
• 2.3.1 ANSYS Workbench介绍
• 2.3.2 瞬态动力学分析概述
• 2.4 本章小结
• 第3章 机床运动构件的瞬态动力学分析
• 3.1 构件模型的前处理
• 3.1.1 建立模型
• 3.1.2 设置接触属性及划分网格
• 3.2 构件模型的瞬态结果的求解与后处理
• 3.2.1 求解
• 3.2.2 后处理
• 3.3 本章小结
• 第4章 成形机零部件结构的优化
• 4.1 优化设计概述
• 4.2 零件结构的优化
• 4.3 构件结构的优化
• 4.4 本章小结
• 第5章 构件参数的确定性分析
• 5.1 确定性分析概论
• 5.2 确定性分析
• 5.3 实验验证
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文
• 一 参与的课题
• 二 论文去发表情况
• 三 专利
• 致谢