數(shù)控高速重型滾齒機(jī)刀架優(yōu)化設(shè)計(jì)_第1頁(yè)
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文檔簡(jiǎn)介

1

序言在重型齒輪的加工過(guò)程中,重型滾齒機(jī)是必不可少的設(shè)備。所謂重型齒輪,是直徑達(dá)4m以上乃至十幾米的大齒輪,這種齒輪在礦山、鋼鐵、化工、交通運(yùn)輸?shù)缺姸嘈袠I(yè)中廣泛應(yīng)用。然而在重型齒輪的加工中,加工周期長(zhǎng)一直是一個(gè)痛點(diǎn),因此實(shí)現(xiàn)高速化以提高加工效率是關(guān)鍵。本文中的滾齒機(jī),是齊重?cái)?shù)控裝備有限公司研制的重點(diǎn)新產(chǎn)品,其具有重型化、高速化的特點(diǎn),在一定程度上填補(bǔ)了我國(guó)相關(guān)領(lǐng)域的空白,但仍有較大提升空間。在高速切削的過(guò)程中,高速回轉(zhuǎn)部件支撐結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,對(duì)齒輪機(jī)實(shí)現(xiàn)高速化具有重要作用。如果能應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法與理念,對(duì)滾齒刀架相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),將在減少加工誤差、提升機(jī)床可靠性、實(shí)現(xiàn)高速化及提高加工效率等方面具有重要意義。關(guān)于結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題,一些研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)針對(duì)特定的目標(biāo)已經(jīng)開(kāi)展了相關(guān)的研究,并取得了許多成果。劉韜等人對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)支架進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化,使其在滿足強(qiáng)度要求的條件下節(jié)省了約40%的材料成本。申?duì)D等人對(duì)起重機(jī)主梁的單桿結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比對(duì)優(yōu)化,提高了產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)性能與經(jīng)濟(jì)性。王水等人通過(guò)響應(yīng)面法,對(duì)經(jīng)編機(jī)連桿架進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),使其減重高達(dá)45%。Dong等人利用理論與仿真分析相結(jié)合的方法,對(duì)動(dòng)車的抗側(cè)滾扭桿進(jìn)行了剛度分析,并應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化及參數(shù)優(yōu)化,在保證剛度的情況下使抗側(cè)滾扭桿有效輕量化。HE等人對(duì)電潛泵的葉片進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)分析,獲得了不同油黏度下的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。眾多研究表明,相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用可以有效縮短設(shè)計(jì)周期、提升產(chǎn)品性能、提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。然而,以上研究中均存在著優(yōu)化變量、優(yōu)化目標(biāo)比較單一,優(yōu)化結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的問(wèn)題,沒(méi)有充分發(fā)揮現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)。本文中,對(duì)滾齒刀架的關(guān)鍵零件前支架進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、多優(yōu)化變量、多優(yōu)化目標(biāo)的情況下,使優(yōu)化后結(jié)構(gòu)最大形變降低了13.5%,最大等效應(yīng)力降低了26.22%,對(duì)產(chǎn)品的預(yù)期性能有了較大提升。2

優(yōu)化對(duì)象前支架工作原理與要求本文的優(yōu)化對(duì)象是高速重型滾齒刀架的前支架,滾齒刀架的原理圖以及前支架在整體中的位置分別如圖1、圖2所示。

圖1高速重型滾齒刀架原理

圖1中高速重型滾齒刀架機(jī)構(gòu)的主運(yùn)動(dòng)為主軸的轉(zhuǎn)動(dòng),動(dòng)力由伺服電動(dòng)機(jī)提供,并經(jīng)過(guò)三級(jí)減速齒輪,及滑套花鍵的嚙合,傳遞到主軸。同時(shí),通過(guò)滾珠絲杠的帶動(dòng),滑板及主軸部件可實(shí)現(xiàn)左右的平動(dòng)。圖2

滾齒刀架三維渲染圖圖2中前支架是刀桿的主要支撐零件,由壓板固定,是加工過(guò)程中主要的承力部件,但是剛度比一體化的中支架差,是現(xiàn)階段總體結(jié)構(gòu)的短板。且其復(fù)雜的結(jié)構(gòu),有較大的優(yōu)化改進(jìn)空間。前支架的外形尺寸與結(jié)構(gòu)如圖3所示,內(nèi)部為腔體結(jié)構(gòu),圖中盲孔為清砂孔,通孔為尾座孔,用來(lái)與尾座配合進(jìn)行前支架的拆卸。

a)總體結(jié)構(gòu)與尺寸

b)剖視圖圖3

前支架尺寸與結(jié)構(gòu)示意3

優(yōu)化參數(shù)的確定進(jìn)行滾切加工時(shí),刀桿上的最大切削力為36000N,扭矩為5000N?M。首先在ADAMS中求得前支架工作時(shí)的最大載荷,隨后在ANSYS中對(duì)前支架進(jìn)行靜力學(xué)分析。分析結(jié)果如圖4、圖5所示。

a)總變形

b)總等效應(yīng)力

圖4前支架靜力學(xué)分析結(jié)果圖5薄弱環(huán)節(jié)應(yīng)力分布該結(jié)構(gòu)的總形變是向上偏移,主要影響因素:一是前支架結(jié)構(gòu)整體變形,二是壓板剛度不足,導(dǎo)致壓板變形;三是由于壓板沒(méi)有限制前支架沿壓板切向的位移,導(dǎo)致整體向上偏移。最大形變位移為2.44×10-5m,平均形變位移為1.67×10-5m。最大形變位移出現(xiàn)在如圖4a的標(biāo)簽處。當(dāng)進(jìn)行滾齒切削時(shí),前支架將受到周期性的載荷,引起周期性的形變,且載荷引起的形變誤差無(wú)法通過(guò)對(duì)刀等措施消除,對(duì)加工誤差產(chǎn)生重要影響。因此通過(guò)參數(shù)優(yōu)化,在結(jié)構(gòu)方面實(shí)現(xiàn)減少形變,是本次優(yōu)化的目標(biāo)之一.由分析結(jié)果,該結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力值出現(xiàn)在尾座孔與清砂孔之間的薄弱環(huán)節(jié)上。部分微小結(jié)構(gòu)處應(yīng)力較大,如緊定螺絲孔等,由于對(duì)整體結(jié)構(gòu)作用有限,不予考慮。顯然,應(yīng)力分布不均,應(yīng)力最大與最小處相差十倍以上,且由于周期性載荷,應(yīng)力不均處容易疲勞損壞。均勻應(yīng)力分布、減小最大等效應(yīng)力可減少機(jī)床零件形變,提高加工精度,是優(yōu)化設(shè)計(jì)中的另一個(gè)重點(diǎn)。

綜合考慮工藝制造可行性以及結(jié)構(gòu)特點(diǎn),確定進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的參數(shù)及其范圍(見(jiàn)表1)。在企業(yè)生產(chǎn)中,各型號(hào)機(jī)床之間有眾多共用件,因此相關(guān)配合尺寸不宜改動(dòng)。所選取的參數(shù),已覆蓋了盡可能多的可行性結(jié)構(gòu)布局,且孔位、壁厚等均是生產(chǎn)加工中易調(diào)整的參數(shù),符合實(shí)際生產(chǎn)加工需求。具體參數(shù)含義如圖6所示。

a)清砂孔與尾座孔結(jié)構(gòu)及參數(shù)

b)壁厚結(jié)構(gòu)及參數(shù)圖6

清砂孔、尾座孔、壁厚結(jié)構(gòu)及參數(shù)表1

參數(shù)范圍及含義4

前支架響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì)及結(jié)果分析本文采用響應(yīng)面優(yōu)化設(shè)計(jì),該優(yōu)化由模型參數(shù)化、確定主參數(shù)、擬合響應(yīng)面及優(yōu)化求解等步驟組成。首先在參數(shù)設(shè)計(jì)空間中,按一定策略選取采樣點(diǎn),隨后對(duì)采樣點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算獲得采樣點(diǎn)結(jié)果,按一定方法擬合出整個(gè)設(shè)計(jì)空間的輸入輸出關(guān)系,在滿足一定的擬合精度后,根據(jù)擬合結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化求解。首先進(jìn)行相關(guān)性檢驗(yàn),確定主參數(shù)。相關(guān)性檢驗(yàn)通過(guò)計(jì)算各輸入?yún)?shù)對(duì)目標(biāo)變量的影響,從而確定主次優(yōu)化參數(shù),進(jìn)而降低計(jì)算量、提高效率。通過(guò)計(jì)算得出相關(guān)性矩陣,其以圖形化的方式展示了輸入、輸出變量之間的關(guān)聯(lián)程度,如圖7所示。圖7輸入、輸出相關(guān)性矩陣圖7中H1、H2兩參數(shù)對(duì)各輸出均有影響,是主參數(shù),受此影響最大的輸出是零件形變。D1、D2、L2三個(gè)參數(shù),則對(duì)應(yīng)力水平有較大影響,是應(yīng)力輸出的主參數(shù)。L1則對(duì)各輸出均未產(chǎn)生明顯影響,為次要參數(shù)。因各輸入的影響不同,分兩步進(jìn)行優(yōu)化,第一步優(yōu)化D1、D2、L2三個(gè)參數(shù),主要目標(biāo)是減少最大應(yīng)力,使應(yīng)力均勻化;第二步是在此優(yōu)化結(jié)果的基礎(chǔ)上,優(yōu)化H1、H2兩個(gè)參數(shù),主要目標(biāo)是減少零件形變。分兩步進(jìn)行,不僅減少了響應(yīng)面建立過(guò)程中所需要的采樣點(diǎn)數(shù),還降低了優(yōu)化設(shè)計(jì)的難度、有利于獲得滿意的結(jié)果。第一部分優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型總結(jié)為式(1)第二部分優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型總結(jié)為式(2)

a)D1與L1

b)D1與D2

c)L1與D2圖8第一部分優(yōu)化等效應(yīng)力與不同輸入量的響應(yīng)面圖9第二部分優(yōu)化最大形變量與輸入量的響應(yīng)面在完成響應(yīng)面的建立后,基于響應(yīng)面的擬合結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化,最終得到多個(gè)符合優(yōu)化目標(biāo)的備選設(shè)計(jì)點(diǎn)。這些備選設(shè)計(jì)點(diǎn)的輸出值,以擬合的響應(yīng)面為基礎(chǔ),經(jīng)實(shí)際計(jì)算并比對(duì)分析后,得到如表2所示的最終設(shè)計(jì)點(diǎn)及優(yōu)化結(jié)果。表2

設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)及優(yōu)化量?jī)?yōu)化前后結(jié)果云圖對(duì)比,如圖10所示。優(yōu)化主要在兩個(gè)方面,一是調(diào)整孔位布局,有效改善了薄弱環(huán)節(jié)的應(yīng)力不均;二是適當(dāng)調(diào)整了鑄件壁厚,使形變有效減少,提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。作為刀桿的主要支撐部件,對(duì)形變抗性的提高,就可以在更大載荷及轉(zhuǎn)速下保持同樣的加工精度??梢灶A(yù)見(jiàn),經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的前支架,能夠承受更高的轉(zhuǎn)速,有效地提升了加工效率,對(duì)高速重型滾齒加工具有較大意義。

a)優(yōu)化前應(yīng)力

b)優(yōu)化后應(yīng)力

c)優(yōu)化前形變

d)優(yōu)化后形變圖10

優(yōu)化前后結(jié)果云圖對(duì)比5

結(jié)束語(yǔ)為提高加工精度、可靠性及高速性,通過(guò)有限元分析軟件,對(duì)滾齒刀架前支架進(jìn)行了靜力學(xué)分析,找出了結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié),確定了孔位、壁厚等作為優(yōu)化參數(shù),最大等效應(yīng)力、最大形變作為優(yōu)化目標(biāo),并應(yīng)用響應(yīng)面法對(duì)高達(dá)六個(gè)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。經(jīng)優(yōu)化求解,最終獲得了合理

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