CX8075高速加工中心结构有限元分析及轻量化研究

论文摘要

高速切削加工具有高效率、高精度和低成本的突出优势,是最重要、最具共性的先进制造技术之一,具有广阔的发展和应用前景。高速高精度机床是实现高速切削的物质基础。在高速机床的结构设计中,以有限元方法和模态分析理论为支撑的现代设计方法,己经成为机床设计发展的必然趋势。本论文所研究的CX8075高速车铣复合加工中心具有较高的切削速度和较大的切削用量,这就要求机床具有合理的结构配置和优良的动静态性能。该加工中心属于单件小批次生产,所以在图纸设计阶段就必须保证机床的工作性能满足设计要求。机床在设计初期运用有限元理论,建立了机床结构的有限元模型,在对其进行有限元分析的基础上,通过对机床结构的改进使设计出的机床零件及整机具有较高的静刚度和动态特性。这些新技术的研究和应用,对新机床工作性能的改善、加工精度的提高、开发周期的缩短和开发成本的降低等具有十分重要的现实意义。本论文的主要研究内容概括如下：(1)在建立了立式车铣复合加工中心有限元模型之后,利用有限元分析软件对立式车铣复合加工中心的各个主要结构部件进行动、静态分析,分析机床应力分布规律,并确定机床的薄弱部位,为结构优化提供理论依据。(2)在模态分析和谐响应分析结果的基础上,找出床身的薄弱环节。再以改变床身的内部结构、提高床身的抗振性能为出发点,提出了床身结构的优化方案,并在机床制造中得到采用。(3)通过对加工中心整机进行有限元分析,研究了加工中心整机的动态性能,得出加工中心在正常工作时应该避开的频率范围。(4)进行机床移动部件的轻量化设计,通过对主要移动部件床鞍和回转工作台的轻量化设计,在不增加快速移动驱动力的情况下,可以大大增加机床快速移动的速度和加速度,从而提高机床的快速响应能力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 课题的背景及研究现状
• 1.2.1 高速切削概念
• 1.2.2 高速切削的优越性
• 1.2.3 我国高速机床研究的现状
• 1.3 课题的来源及主要研究内容
• 1.3.1 本课题来源
• 1.3.2 主要研究内容
• 2 结构有限元分析的基本理论
• 2.1 引言
• 2.2 结构动态分析的基本理论
• 2.2.1 结构模态分析的概念
• 2.2.2 模态分析的理论
• 2.3 有限元法及其在机械结构分析中的应用
• 2.3.1 有限元法概述
• 2.3.2 有限元法的基本解题步骤
• 2.3.3 机械结构动力分析的有限元法
• 2.4 机械结构结合部的基本理论
• 2.4.1 机械结构结合部刚度和阻尼机理的解释
• 2.4.2 机械结构结合部等效动力学模型
• 2.5 本章小结
• 3 铣削电主轴的动态性能分析
• 3.1 引言
• 3.2 铣削电主轴的结构及有限元模型
• 3.2.1 摆动铣头及铣削电主轴结构
• 3.2.2 铣削电主轴的有限元模型
• 3.3 铣削电主轴的模态分析
• 3.3.1 自由状态下主轴模态
• 3.3.2 加轴承约束状态下主轴模态
• 3.4 铣削电主轴的谐响应分析
• 3.5 铣削电主轴的静载荷分析
• 3.5.1 切削力载荷的计算
• 3.5.2 静载荷分析结果
• 3.6 本章小结
• 4 横梁、床鞍和回转工作台的动态性能分析
• 4.1 引言
• 4.2 横梁的动态性能分析
• 4.2.1 横梁的有限元模型
• 4.2.2 横梁的模态分析结果
• 4.3 床鞍的动态性能分析
• 4.3.1 床鞍的有限元模型
• 4.3.2 床鞍的静载荷分析
• 4.3.3 床鞍的模态分析
• 4.4 回转台体的动态性能分析
• 4.4.1 回转台体的有限元模型
• 4.4.2 回转台体的静载荷分析
• 4.4.3 回转台体的模态分析
• 4.5 本章小结
• 5 床身的动态性能分析
• 5.1 引言
• 5.2 床身的有限元模型
• 5.3 床身的静载荷分析
• 5.4 床身的动态性能分析
• 5.5 床身的优化设计
• 5.5.1 床身的结构优化方案1
• 5.5.2 床身的结构优化方案2
• 5.5.3 两种优化方案的对比
• 5.6 本章小结
• 6 加工中心整机的有限元分析
• 6.1 引言
• 6.2 加工中心整机的有限元模型
• 6.3 加工中心整机的模态分析
• 6.4 加工中心整机的谐响应分析
• 6.5 本章小结
• 7 加工中心的轻量化技术研究
• 7.1 引言
• 7.2 床鞍的轻量化设计
• 7.3 回转工作台的轻量化设计
• 7.4 本章小结
• 8 总结与展望
• 8.1 总结
• 8.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果