一种超高速磨床床身的设计方法及结构转让专利
申请号 : CN201010607037.2
文献号 : CN102059636B
文献日 : 2013-04-03
发明人 : 李蓓智 , 邬舟平 , 吴喜如 , 杨建国 , 林惟杰 , 王伟荣
申请人 : 东华大学 , 上海机床厂有限公司
摘要 :
本发明提供了一种超高速磨床床身的设计方法及结构。所述的设计方法，其特征在于，将超高速磨床床身的结构分为约束结构和非约束结构，所述约束结构包括砂轮主轴箱座、工件主轴箱座及其工作台基座以及砂轮修整器及其工作台基座，所述非约束结构包括床身工作台面、床身支撑框架以及加强筋；在约束机构不变的基础上，对非约束结构进行优化。本发明不仅可以科学的简化设计过程，使整体式床身结构最大限度地满足高速与超高速磨床的高效、精密和低耗等综合性能（如静刚度、主阶模态、瞬态响应、制造结构工艺性），而且可以避免或减少因试验和返工等造成的额外开销。
权利要求 :
1.一种超高速磨床床身的设计方法，其特征在于，将超高速磨床床身的结构分为约束结构和非约束结构，所述约束结构包括砂轮主轴箱座（1）、工件主轴箱座及其工作台基座（2）以及砂轮修整器及其工作台基座（3），所述非约束结构包括床身工作台面（4）、床身支撑框架（5）以及加强筋（6）；在约束结构不变的基础上，对非约束结构进行优化；所述的非约束结构的优化方法为：所述的加强筋（6）采用米字形矩形单元结构，所述的砂轮主轴箱座（1）对称位于米字形矩形单元之上；所述米字形矩形单元的长l、宽b、长度方向的个数Sl和宽度方向的个数Sb取决于床身加强筋的总长L、总宽B 以及砂轮主轴箱座（1）的沿床身长度方向的尺寸lc与沿床身宽度方向的尺寸bc，其综合优化的计算模型如下： 米字形矩形单元长度初值lI为：；
米字形矩形单元长度方向的个数Sl为：
；
米字形矩形单元的长度l 为：
；
米字形矩形单元宽度初值bI为：
；
米字形矩形单元宽度方向的个数Sb为：
；
米字形矩形单元的宽度b 为：
。
2.如权利要求1所述的超高速磨床床身的设计方法，其特征在于，所述的非约束结构的优化方法进一步包括：床身工作台面（4）的上平面的四个角在垂直工作台面法线方向上呈三高一低，在低点处设置冷却液和磨屑的出口孔。
3.如权利要求1所述的超高速磨床床身的设计方法，其特征在于，所述的非约束结构的优化方法进一步包括：床身支撑框架（5）以及加强筋（6）的厚度h相等。
4.如权利要求3所述的超高速磨床床身的设计方法，其特征在于，所述的床身支撑框架（5）以及加强筋（6）的厚度h 的计算模型如下：且20mm≤h ≤40mm。
5.按照权利要求1-4中任一项所述的设计方法进行制造所得到的超高速磨床床身结构。
说明书 :
一种超高速磨床床身的设计方法及结构
技术领域
[0001] 本发明涉及一种超高速磨床床身的设计方法及结构，适用于砂轮线速度为120m/s～250m/s的磨床，属于磨床生产技术领域。
背景技术
[0002] 有关基础研究成果表明，高速与超高速磨削可以实现高效率、高精度的完美统一，这是因为一方面，由于高速可以使切削激励力远离机床的低阶固有频率，使加工过程稳定可靠，而有利于加工质量提高；另一方面，由于磨削热、力、化学和工件材料等的耦合效应，在高速或超高速条件下的相关工作区域，工件上的实际作用力、温度及其分布可以大大优于常规磨削速度情况。因此，可以完全避免和改善磨削表面烧伤问题，减小机床受热变形、受力变形等影响加工质量、机床精度和使用寿命等的缺陷。
[0003] 然而，我国目前生产用的磨床，如通用磨床的砂轮线速度一般为35-45m/s，轴承磨床的砂轮线速度不超过60m/s，一些实验用的高速与超高速磨床，理论砂轮线速度可达120m/s甚至以上的磨床，实际磨削时的砂轮线速度突破100m/s的很少，即使砂轮线速度突破100m/s的磨床，其磨削深度、表面粗糙度等，也即磨削效率和磨削表面质量等仍然受到限制，分析个中原因之一是高速磨床的床身尚不能具备良好的高速特性，如足够的支撑刚性和强度、极好的抗振能力和良好的高速稳定性等。因此，提供一种科学的分析与计算方法、简洁而真实的设计过程，在高速与超高速机床床身研制中，提供可信的基础数据并进行综合优化评价，已变得非常迫切和刻不容缓。
[0004] 公开号为CN101811257A的专利提出了一种机床床身优化设计方法，其将床身加强筋设计分成三个阶段，1）以结构刚度为目标，进行床身加强筋分布形态设计；2）以自振频率为目标，进行尺寸的详细设计；3）工艺孔及其位置的拓扑设计。但由作者给出的具体实施方式及其表1可以看出，该方法给出的优化结果对床身性能改善不大；未能突破传统方格型加强筋的布置格局，即未能有效地提高床身静动态特性；优化设计时需要设置优化目标值（自振频率），对于全新的设计问题，该设计过程显得非常繁琐且设计结果仍会与实际实施目标具有明显差距。公开号为101653909A的专利提出了一种卧式镗铣床的床身加强筋结构，其特征是中间为圆形，圆形的四周呈放射状发散，使床身整体受力强度提高，但文献未涉及科学或具体的计算方法、分析对比数据及实施例。
[0005] 综上所述，提出一种科学的、可简化设计过程的床身优化设计方法，建立一种可定量计算的床身加强筋优化设计模型，给出一种满足各类机床尤其是高速与超高速磨床高的静动态特性要求的床身加强筋结构不仅具有理论研究价值，更重要的是具有工程应用价值和推动创新设计的现实意义。
发明内容
[0006] 本发明的目的是提供一种超高速磨床的床身结构及其设计方法，以解决现有技术及装备对高速磨削支撑不足的现象与技术瓶颈。
[0007] 为了达到上述目的，本发明提供了一种超高速磨床床身的设计方法，其特征在于，将超高速磨床床身的结构分为约束结构和非约束结构，所述约束结构包括砂轮主轴箱座、工件主轴箱座及其工作台基座以及砂轮修整器及其工作台基座，所述非约束结构包括床身工作台面、床身支撑框架以及加强筋；在约束机构不变的基础上，对非约束结构进行优化。
[0008] 所述的非约束结构的优化方法如下：
[0009] （1）所述的床身工作台面的上平面（即与约束结构直接相连的表面）的四个角在垂直工作台面法线方向上呈三高一低，形成冷却液和磨屑顺畅流动的工作曲面，在低点处设置冷却液和磨屑的出口孔。
[0010] （2）所述的加强筋采用米字形矩形单元结构，使最主要的约束结构砂轮主轴箱座完全对称位于米字形矩形单元之上，即指砂轮主轴箱座的对称中心与米字形矩形单元的对称中心相重合。
[0011] （3）所述米字形矩形单元的长l、宽b、长度方向的个数Sl和宽度方向的个数Sb取决于床身加强筋的总长L、总宽B 以及砂轮主轴箱座沿床身长度方向的尺寸lc与沿床身宽度方向的尺寸bc，其综合优化的计算模型如下：
[0012] 米字形矩形单元长度初值lI为：
[0013] ；
[0014] 米字形矩形单元长度方向的个数Sl为：
[0015] ；
[0016] 米字形矩形单元的长度l 为：
[0017] ；
[0018] 米字形矩形单元宽度初值bI为：
[0019] ；
[0020] 米字形矩形单元宽度方向的个数Sb为：
[0021] ；
[0022] 米字形矩形单元的宽度b 为：
[0023] 。
[0024] （2）所述的床身支撑框架以及加强筋的厚度h 相等，其尺寸受机床床身设计标准（20mm≤h ≤40mm）、米字形矩形单元长度与宽度约束，由此获得材料体积 、制造结构工艺性 、静动态特性（静刚度 、主阶模态 、瞬态响应 等多个目标的综合优化。其计算模型如下：
[0025] 且20mm≤h ≤40mm。
[0026] 有三种在上述范围内确定h 的方法，①可参考平均值选一个优先数系值，如25mm；②对静动态特性要求不高的床身，可取较小值，在满足使用要求前提下降低成本；③对静动态特性要求高的高速或超高速机床床身，可取较大值。
[0027] 本发明还提供了按照上述设计方法进行设计制造所得到的超高速磨床床身结构。
[0028] 本发明的优点是：
[0029] 本发明的超高速磨床床身的设计方法将床身的结构设计分为约束结构和非约束结构两部分，通过优化非约束结构，即采用米字形的加强筋单元，并采用加强筋单元全对称主要约束结构的阵列布置结构，不仅可以科学的简化设计过程，使整体式床身结构最大限度地满足高速与超高速磨床的高效、精密和低耗等综合性能（如静刚度、主阶模态、瞬态响应、制造结构工艺性），而且可以避免或减少因试验和返工等造成的额外开销。 附图说明
[0030] 图1为超高速磨床床身的基本结构示意图；
[0031] 图2为米字形加强筋全对称主要约束结构的阵列布置示意图；
[0032] 图3为床身动态特性分析的加载模型示意图；
[0033] 图4为米字形加强筋单元及其全对称床身的阵列布置示意图；
[0034] 图5为太阳花形加强筋单元及其全对称床身的阵列布置示意图； [0035] 图6为方格形加强筋全对称床身的阵列布置示意图。
具体实施方式
[0036] 下面结合实施例来具体说明本发明。
[0037] 实施例1
[0038] 如图1所示，为超高速磨床床身的基本结构示意图，所述的超高速磨床床身的设计方法为将超高速磨床床身的结构分为约束结构和非约束结构，所述约束结构包括砂轮主轴箱座1、工件主轴箱座及其工作台基座2以及砂轮修整器及其工作台基座3，所述非约束结构包括床身工作台面4、床身支撑框架5以及加强筋6；最高砂轮线速度为188m/s（最高工作转速9000r/min，砂轮直径400mm），砂轮主轴及其箱座的重量为200kg，在约束机构不变的基础上，对非约束结构进行优化。
[0039] 使床身工作台面4四周边的四个直角点在垂直工作台面法线方向上呈三高一低，即工作台左上下前和右上方三个点在其法线方向的坐标高于工作台右下方坐标1mm，由此形成冷却液和磨屑顺畅流动的工作曲面，并在低点处设置直径为50mm的冷却液和磨屑出口孔。
[0040] 采用米字形矩形单元为加强筋6的单元结构，并基于米字形单元结构全对称最重要约束结构的阵列布置结构，即使约束设计中承载最大的砂轮主轴箱座1对称位于米字形矩形单元之上。如图2所示，为米字形加强筋全对称主要约束结构的阵列布置示意图。
[0041] 床身加强筋的总长L=2100mm、总宽B=1180mm、砂轮主轴箱座的沿床身长度方向的尺寸lc=530mm与沿床身宽度方向的尺寸bc=560mm，其综合优化的计算模型如下： [0042]由公式：
得 ： ；
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得 ：
则：
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得 ：
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由 公 式 ：
求 h 平 均 值 ：
且由标准：20mm≤h≤40mm，取：
得 ： ；
由公式：
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由公式：
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由 公 式 ：
求 h 平 均 值 ：
且由标准：20mm≤h≤40mm，取：
[0043] 由上，可计算获得床身加强筋及其边框的体积为0.4876m3（通过CAD软件基于床身加强筋及其边框三维图计算获得）。
[0044] 综上计算与确定数据，采用西门子NX Nastran分析软件进行床身静动态特性的分析与计算，如图3所示，为床身动态特性分析的加载模型示意图，以高速磨削时工件给砂轮的动态反作用为加载对象，考察砂轮主轴及其箱座部位的瞬态响应（图3），设工件的动态反作用力为1000N，并按200Hz 正弦脉冲变化，床身静动态特性分析结果见表1第一行相关指标的相关数据。
[0045] 表1加强筋单元结构及其阵列布置结构对床身综合性能的效果对比[0046]
[0047] 表1还给出了不对称重要约束结构的阵列布置结构及其它加强筋单元结构的床身静动态相关性能指标，并以本发明米字形床身加强筋单元结构及其采用加强筋单元全对称重要约束结构的阵列布置结构为基数的指标升降百分比，如：
[0048] 1）如图4所示，为米字形加强筋单元及其全对称床身的阵列布置示意图，采用米字形加强筋单元结构但不采用加强筋单元全对称重要约束结构的阵列布置结构，一阶模态下降3.6%、二阶与三阶模态下降4.7%和3.0%；静刚度下降2.3%；瞬态响应最大峰值则增加了39%。
[0049] 2）如图5所示，为太阳花形加强筋单元及其全对称床身的阵列布置示意图，采用太阳花形加强筋单元结构，且使加强筋单元全对称床身结构，其加强筋厚度调整为26mm（保3
证中间设有圆形孔后，床身加强筋及其边框的体积为0.4873m），一阶模态下降7.0%、二阶与三阶模态分别下降5.0%和4.0%；静刚度下降5.0%；瞬态响应最大峰值则增加了19.6%。
证中间设有圆形孔后，床身加强筋及其边框的体积为0.4873m），一阶模态下降7.0%、二阶与三阶模态分别下降5.0%和4.0%；静刚度下降5.0%；瞬态响应最大峰值则增加了19.6%。
[0050] 3）如图6所示，为方格形加强筋全对称床身的阵列布置示意图，采用传统的方格型加强筋单元结构，且使加强筋单元全对称床身结构，其加强筋厚度调整为25mm（床身加3
强筋及其边框的体积为0.4883m），一阶模态下降8.5%、二阶与三阶模态分别下降5.0%和
7.0%；静刚度下降3.3%；瞬态响应最大峰值则增加了62.5%。
强筋及其边框的体积为0.4883m），一阶模态下降8.5%、二阶与三阶模态分别下降5.0%和
7.0%；静刚度下降3.3%；瞬态响应最大峰值则增加了62.5%。
[0051] 以上分析数据及其对比结果表明，基于米字形加强筋单元且使其全对称于主要约束结构的阵列布置结构是非常理想的结构，其静动态性能指标全部优于（远远优于）其它三种相关结构。在列举的其它三种结构中，传统方格型的静动态性能指标最差，其除了静刚度指标之外，其它相关指标几乎是最差的，尤其是瞬态响应最大峰值增加了62.5%；太阳花型的静动态性能指标也很差，其除了瞬态响应最大峰值略好一些（仅增加19.6%），其它相关指标几乎也是很差的。