多线切割机主机架结构优化设计.pdf
《多线切割机主机架结构优化设计.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《多线切割机主机架结构优化设计.pdf(7页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、Sep.2023JOURNALOF MACHINEDESIGN2023年9 月No.9Vol.40第40 卷第9 期机计设械多线切割机主机架结构优化设计董志奎,殷帅,常龙,邢珂,赵延恒,戚向东(燕山大学机械工程学院,河北秦皇岛066004)摘要:多线切割机是目前切割硬脆材料的主流设备,其主机架作为主要受载部件对整机平稳运行起关键作用,其设计合理性对切割材料的表面质量有极大影响。文中采用某厂多线切割机主机架尺寸参数建立三维模型,通过有限元软件进行动静特性分析,并进行拓扑优化,为肋板布置提供参考,在此基础上,建立不同样式的肋板模型,并对其进行多目标尺寸优化,改善主机架结构以满足刚度及铸件厚度差要求
2、,减少因结构设计不合理而产生的缩松缩孔缺陷,最终得到3种情况下的最优设计,为工业生产提供参考。关键词:多线切割机;主机框架;拓扑优化;多目标优化;有限元分析中图分类号:TH122文献标识码:A文章编号:1 0 0 1-2 3 54(2 0 2 3)0 9-0 0 0 8-0 7Structure optimization of multi-wire cutting machine s main frameDONG Zhikui,YIN Shuai,CHANG Long,XING Ke,ZHAO Yanheng,QI Xiangdong(School of Mechanical Engineer
3、ing,Yanshan University,Qinhuangdao 066004)Abstract:The multi-wire cutting machine is the mainstream equipment for cutting hard and brittle materials.Its main frameas the major loading part plays a key role in smooth operation of the whole machine.Its design rationality has great influence onsurface
4、quality of cutting materials.In this article,the three-dimensional model is set up by means of the size parameters of themulti-linear cutting machine s main frame in a factory.The dynamic and static characteristics are explored with the help of the fi-nite-element software,and topology optimization
5、is carried out to provide reference for the layout of rib plate.On this basis,themodels of different rib plates are established,and then multi-objective dimension optimization is carried out to improve the mainframe structure as well as meet the requirements of stiffness and casting thickness differ
6、ence.As a result,the defects of shrinkagecaused by unreasonable structure design have decreased,and the optimal design in three cases is worked out,which provides ref-erence for industrial production.Key words:multi-wire cutting machine;main frame;topology optimization;multi-objective optimization;f
7、inite-elementanalysis硬脆材料如硅、蓝宝石、碳化硅等广泛应用于纯电动汽车、太阳能光伏、风力发电及航空航天等领域。目前,这些材料的切割方式主要是用金刚石线切割完成,由于单线切割加工效率较低,在实际生产中则主要是利用多线切割的加工方式 2。采用金刚石线进行切割的多线切割机在工作状态时运行转*收稿日期:2 0 2 1-0 7-0 5;修订日期:2 0 2 3-0 3-0 6基金项目:国家自然科学基金资助项目(52 0 7 547 3)速较快,因此,对设备的结构刚度支撑关键部位的受力提出了更高要求;国内生产多线切割设备的企业较多,生产企业间的竞争压力越来越大,为了降低设备的生产成本
8、,提升产品竞争力尤为重要。因此,对机床进行结构的优化设计,使材料在机床结构空间内分布更加合理和有效利用是设计者追求的9董志奎,等:多线切割机主机架结构优化设计2023年9 月目标 3 O刘建 4对多线切割机进行有限元建模及静力学分析,验证进给系统设计的合理性,从结构设计人手,对进给系统的整体结构进行优化,得出最优设计方案。牛兴坤 5根据金刚石线切割石材的优点,设计了新型的天然石材多线液压切割机床,并用有限元软件对整机进行动态特性研究。张强 6 对固结磨料切割机的导轮进行轻量化设计,极大地提高了其使用寿命。王猛 7 针对切割机动态性能和横梁轻量化设计进行研究,通过运用有限元分析软件,对切割机的静
9、动态特性进行了研究分析,并对横梁进行轻量化设计,不仅减小了自身质量,而且提高了切割机的静动态性能。冯砚博等 8 对某型切割机整机振动性能进行分析,研究机械结构的合理程度。首先建立切割机三维模型及有限元模型,并采用软件得到模型的各阶固有频率,然后通过ADAMS软件分析结构在运行过程中的受迫振动,得到切割机床关键部件的位移、速度和加速度的频率响应曲线,最终与模态进行对比,找出薄弱环节,为改进提供参数支撑。朱盾等 9 对多线切割机主轴支撑三脚架进行优化,在减小三脚架自身质量的同时,提高了动静态性能。Kolar等 1 0 1 将拓扑优化应用于机床立柱的设计,发现内部肋板结构刚度的灵敏度较低,采用焊接钢
10、结构形成内部的轻量化构型设计。Changwonl 采用遗传算法对机床结构进行拓扑优化,以刚度和固有频率作为设计目标,对机床床身进行了优化。文中针对某型号多线切割机进行有限元计算,并根据机架厚度差要求及机架铸造效果,对主机架可调整区域进行拓扑优化,重建拓扑模型,根据敏感性筛选出影响因子较大的尺寸,利用参数化对筛选出的尺寸进行计算,最后通过遗传算法计算出满足结构刚度及铸造要求的优化模型主机架初始模型动静特性分析依照某型号多线切割机尺寸参数,对多线切割机主机架装配体进行模型简化,如图1 所示。保留其主体,去除孔洞、圆角等细小结构,采用质量点替代部分零部件;使用模块化处理对部件进行网格划分,根据实际情
11、况进行接触设置。图1主机架简化模型对主机架背面装配的电机及其电机架、升降台及主轴部件采用质量点替换,找到其质心位置,确定其质量大小,并且在主机架简化模型上切分出相应的装配端面,以设置供质量点时使用,其中,升降台附带切削物料的总质量为7 1 1 kg,距离支撑端面为2 8 5mm;3个主轴电机的质量均为2 3 0 kg,质心距端面为40 0 mm,单根主轴的质量为1 6 3 kg;主轴上每根金刚石线的张力为3 5N,3 根主轴缠绕金刚石线为6 0 0 圈。主机架的材质为QT450-10球墨铸铁,其弹性模量为1.9 1 0 MPa,泊松比为0.2 7,密度为7 3 0 0 kg/m。对主机架采用高
12、级节点的混合区域网格划分,映射类型为六面体,自由网格类型为六面体核心。根据简化结果,选择网格大小为3 0 mm,对该多线切割机进行有限元分析,图2 和图3 所示分别为主机架应力及位移云图,图中可确定固定端及游动端的端面为主要受载区域,最大总体变形量为0.0 2 54mm,最大等效应力为2 9.0 7 MPa,且主机架该处为铸造后的厚端面,具有优化空间。Equivalent StressUnit:MPa29.07Max孔1 一22.5619.3016.049.526.232.00孔3孔21.000.800.202.49e-5 Min图2主机架等效应力分布云图10机计设械第40 卷第9 期Tota
13、lDeformationUnit:mm0.0254Max0.02360.02000.01820.01450.01270.00900.00720.00540.00183.28e-9Min图3主机架总体位移分布云图对主机架自由模态进行计算,获取1 阶模态频率为1 58.48 Hz,图4为1 阶模态振型云图。主机架的1阶频率远高于电机50 Hz的频率,因此,其发生共振的可能性不大。TotalDeformationUnit:mmFrency:158.48Hz3.85Max3.422.572.141.711.280.850.431.55e-8Min图4主机架1 阶模态振型2主机架肋板模型构建2.1拓扑优
14、化主机架主要受到主轴槽轮上金刚石线张力作用,导致两支撑端面产生变形,所以选择主机架固定端及游动端的端面为主要优化区域,拟在厚重端面进行肋板布置,此处肋板作用主要以拉压替代弯曲变形,因此,单独取出端面简化为2 D平面,直接施加各主轴槽轮上金刚石线张力的合力进行拓扑,探究肋板布置的方法保留主要边框及电机的连接端面,对2 D模型进行分割,区分开需要拓扑的区域,如图5a为固定端2 D拓扑模型示意图,图5b为游动端2 D拓扑模型示意图。边框使用RemoteDisplacement约束所有自由度,对3个主轴孔施加相应的合力,采用分步载荷,采用变密度法进行拓扑优化,其最大约束应力为9 0 MPa,以拓扑的保
15、留质量分数分别为3 0%,2 0%,1 4%和1 0%进行计算,输出拓扑结果图形,根据图形逐步构建肋板模型。连接端面边框拓扑区域边框拓扑区域(a)固定端模型(b)游动端模型图52D拓扑模型示意图固定端分步施加载荷:先轴孔1,再轴孔2,最后轴孔3,计算获得如图6 所示固定端3 分步拓扑结果图6固定端3 分步拓扑结果游动端分步施加载荷:先轴孔1,再轴孔2,最后轴孔3,计算获得如图7 所示的游动端3 分步拓扑结果图7游动端3 分步拓扑结果11董志奎,等多线切割机主机架结构优化设计2023年9 月2.2模型构建参考上述拓扑结果,可发现拓扑后的保留成分主要连接3 主轴孔及边框,仿照保留成分的走向构建斜肋
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 切割 机主 机架 结构 优化 设计
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。