一种变截面卧式加工中心立柱结构制造技术

本发明专利技术公布了一种变截面卧式加工中心立柱结构，包括上横梁、下横梁、纵向支撑柱、弧形加强筋，上横梁、下横梁和分别位于左右两侧的纵向支撑柱相互连接组成中空的回字结构。分析结果表明，与传统立柱结构相比，变截面立柱的静动态刚度提高，质量减轻，同时降低加工难度。

Variable section horizontal machining center column structure

The invention discloses a variable cross-section column structure of horizontal machining center, including the upper beam and lower beam and the vertical support column, arc reinforcing rib, an upper beam and a lower beam and are respectively located at both sides of the vertical support columns are connected with each other to form a hollow back word structure. The analysis results show that compared with the traditional column structure, the static and dynamic stiffness of the variable section column is improved, the quality is reduced, and the machining difficulty is reduced.

【技术实现步骤摘要】
一种变截面卧式加工中心立柱结构
本专利技术属于机械工程领域，具体涉及一种变截面卧式加工中心立柱结构，作为“框中框”结构卧式加工中心机床的立柱。
技术介绍
近年来，我国机床不断向高精度、高速度的方向发展，对机床提出了更高的要求。机床刚度决定其加工质量，而构件的结构对机床刚度产生较大的影响。因此，对构件结构进行合理设计，能较大改善机床刚度。传统机床结构设计主要采用经验、类比等方法；该类方法缺乏系统的理论指导，在实际设计中，往往出现材料利用率低、设计结构笨重等现象。而且，目前市场上的机床立柱大多为整体铸造形成，传统设计立柱内部有较多的筋板结构，增加了铸造的难度，而且在浇铸时筋板结构易产生砂眼、浇不足等问题，影响立柱的刚度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种全新的立柱结构，提高材料的利用率，使其在静动态刚度提高的同时，重量减轻，加工难度降低，节约加工成本。为了实现上述目的，本专利技术提供一种变截面卧式加工中心立柱结构，即在外形上做适当的改进，内部结构上，把传统立柱的横纵向十字筋板去除，将立柱截面分段设计为壁厚不断变化的形式。一种变截面卧式加工中心立柱结构，包括上横梁、下横梁、纵向支撑柱、弧形加强筋，上横梁、下横梁和分别位于左右两侧的纵向支撑柱相互连接组成中空的回字结构，上横梁的截面呈直角梯形，上横梁内部中空，在上横梁内壁设置有弧形加强筋结构，所述纵向支撑柱包括左纵向支撑柱和右纵向支撑柱，左纵向支撑柱和右纵向支撑柱为关于中心立柱结构垂直中线的镜像结构(即左右对称)，在左纵向支撑柱和右纵向支撑柱上分别设置有前侧壁和后侧壁结构，所述前侧壁由第一节前侧壁、第二节前侧壁和第三节前侧壁沿竖直方向由上至下依次连接组成，第一节前侧壁、第二节前侧壁和第三节前侧壁的壁厚由厚至薄依次为第三节前侧壁、第二节前侧壁、第一节前侧壁，第一节前侧壁和第三节前侧壁为均一厚度，第二节前侧壁的壁厚由上至下呈线性均匀增加，所述第一节前侧壁、第二节前侧壁、第三节前侧壁之间的长度比为(10-12):(4-5):(7-9)，所述后侧壁由第一节后侧壁、第二节后侧壁、第三节后侧壁和第四节后侧壁沿竖直方向由上至下依次连接组成，第一节后侧壁、第二节后侧壁、第三节后侧壁和第四节后侧壁的壁厚由厚至薄依次为第四节后侧壁、第三节后侧壁、第二节后侧壁、第一节后侧壁，第一节后侧壁、第三节后侧壁为均一厚度，第二节后侧壁和第四节后侧壁的壁厚由上至下呈线性均匀增加，所述第一节后侧壁、第二节后侧壁、第三节后侧壁、第四节后侧壁之间的长度比为(8-9):(25-26):(5-7):(12-14)；所述下横梁为斜坡结构，斜坡较高的一侧朝向正面，下横梁与上横梁相同皆为内部中空。进一步的，所述第一节前侧壁、第二节前侧壁、第三节前侧壁之间的长度比优选为(10-11):(4-5):(7-8)。进一步的，所述第一节后侧壁、第二节后侧壁、第三节后侧壁、第四节后侧壁之间的长度比优选为(8-9):(25-26):(5-6):(12-13)。进一步的，所述第四节后侧壁与竖直方向的夹角为3°-5°。进一步的，所述下横梁的斜坡坡度，即斜面与水平面的夹角为20-35度。所述下横梁的斜坡较高的一侧的厚度中线位于立柱下面X向导轨的中线或中线偏下的位置。本专利技术的有益效果为：本专利技术所述的一种变截面卧式加工中心立柱结构是一种全新的立柱结构，采用变优化目标的分步拓扑优化方法，根据拓扑优化结果，在外形上做适当的改进，内部结构上，把传统立柱的横竖向十字筋板去除，将立柱截面分段设计为壁厚不断变化的形式，提高材料的利用率，使其在静动态刚度提高的同时，重量减轻，加工难度降低，节约加工成本。附图说明图1是本专利技术立柱结构的纵向支撑柱截面图。图2是本专利技术立柱结构的轴测图(正面)。图3是本专利技术立柱结构的轴测图(背面)。图4是本专利技术立柱结构的横梁截面图。图5是GIJ630卧式加工中心结构示意图。图6是立柱拓扑优化流程图。图7是立柱力学模型。图8是外轮廓拓扑优化结果图1。图9是外轮廓拓扑优化结果图2。图10是内部结构拓扑优化结果图1。图11是内部结构拓扑优化结果图2。图12是中间工况立柱导轨变形曲线图。图13是左极限工况立柱导轨变形曲线。图14是右极限工况立柱导轨变形曲线。图15是原模型和设计模型一阶振型图。图16是原模型和设计模型二阶振型图。图17是原模型和设计模型三阶振型图。图中：1为上横梁，2为下横梁，3为纵向支撑柱，4为前侧壁，4-1为第一节前侧壁，4-2为第二节前侧壁，4-3为第三节前侧壁，5为后侧壁，5-1为第一节后侧壁，5-2为第二节后侧壁，5-3为第三节后侧壁，5-4为第四节后侧壁，6为弧形加强筋，7为溜板，8为主轴箱，9为立柱，10为床身。具体实施方式下面结合附图与具体的实施方式对本专利技术作进一步详细描述：如图1所示，该专利技术立柱为大件产品，整体铸造成型，主要结构包括上横梁1、下横梁2和纵向支撑柱3，上横梁、下横梁和分别位于左右两侧的纵向支撑柱相互连接组成中空的回字结构，上横梁的截面呈直角梯形，在上横梁的一侧为弧形加强筋结构，所述纵向支撑柱包括左纵向支撑柱和右纵向支撑柱，左纵向支撑柱和右纵向支撑柱为关于结构垂直中线的镜像结构，在左纵向支撑柱和右纵向支撑柱分别设置有前侧壁4和后侧壁5结构，所述前侧壁由第一节前侧壁4-1、第二节前侧壁4-2和第三节前侧壁4-3依次连接组成，所述后侧壁由第一节后侧壁5-1、第二节后侧壁5-2、第三节后侧壁5-3和第四节后侧壁5-4依次连接组成，所述下横梁为斜坡结构，斜坡较高的一侧朝向正面。所述中心立柱结构的高度为2311.50mm；，所述第一节前侧壁、第二节前侧壁、第三节前侧壁的长度依次为1111.50mm、500mm、700mm。所述第一节后侧壁、第二节后侧壁、第三节后侧壁、第四节后侧壁的长度依次为411.50mm、970mm、250mm、710mm。基于TOSCA的卧式加工中心立柱的拓扑优化方法：1、拓扑优化流程及数学模型静刚度和动刚度是衡量立柱性能的重要指标，采用线性加权和法将同时提高静动刚度的多目标优化转化为单目标优化。利用有限元软件ABAQUS和拓扑优化软件TOSCA对GIJ630卧式加工中心立柱进行分步拓扑优化：第一步拓扑优化，以多工况柔度最小化和低阶固有频率最大化为优化目标，在满足功能要求和装配条件下，扩大初始优化模型的设计区域，完成立柱外轮廓优化，数学模型如式1；在外轮廓优化的基础上，以多工况变形最小和低阶频率最大为优化目标，约束立柱外轮廓，完成内部结构的优化，数学模型为公式2，提出一种全新的立柱变截面设计方案，使立柱的静动态刚度提高，质量减轻，立柱拓扑优化流程如图6所示。其中，φ(X)、Ω(X)为目标函数；ωi、ωj为加权系数；Ci(X)为第i种工况下结构的柔度；u是节点位移矢量；K是结构刚度矩阵；fj是各阶频率；V(X)是优化后模型体积；V0(X)为优化前模型的体积；Δ是体积分数，0＜Δ＜1；Ui(X)为第i种工况下所选节点的变形；ux、uy、uz为节点X、Y、Z方向的变形矢量。2立柱载荷分析GIJ630卧式加工中心的结构如图5所示，主轴箱嵌入溜板中，由丝杠和滑块导轨副实现Y向进给运动；溜板嵌入立柱中，由丝杠牵引，通过起连接作用的导轨滑块副实现X向运动；立柱安装在床身上，起支本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种变截面卧式加工中心立柱结构，其特征在于：一种变截面卧式加工中心立柱结构，包括上横梁、下横梁、纵向支撑柱、弧形加强筋，上横梁、下横梁和分别位于左右两侧的纵向支撑柱相互连接组成中空的回字结构，上横梁的截面呈直角梯形，上横梁内部中空，在上横梁内壁设置有弧形加强筋结构，所述纵向支撑柱包括左纵向支撑柱和右纵向支撑柱，左纵向支撑柱和右纵向支撑柱为关于中心立柱结构垂直中线的镜像结构，在左纵向支撑柱和右纵向支撑柱上分别设置有前侧壁和后侧壁结构，所述前侧壁由第一节前侧壁、第二节前侧壁和第三节前侧壁沿竖直方向由上至下依次连接组成，第一节前侧壁、第二节前侧壁和第三节前侧壁的壁厚由厚至薄依次为第三节前侧壁、第二节前侧壁、第一节前侧壁，第一节前侧壁和第三节前侧壁为均一厚度，第二节前侧壁的壁厚由上至下呈线性均匀增加，所述第一节前侧壁、第二节前侧壁、第三节前侧壁之间的长度比为(10‑12):(4‑5):(7‑9)，所述后侧壁由第一节后侧壁、第二节后侧壁、第三节后侧壁和第四节后侧壁沿竖直方向由上至下依次连接组成，第一节后侧壁、第二节后侧壁、第三节后侧壁和第四节后侧壁的壁厚由厚至薄依次为第四节后侧壁、第三节后侧壁、第二节后侧壁、第一节后侧壁，第一节后侧壁、第三节后侧壁为均一厚度，第二节后侧壁和第四节后侧壁的壁厚由上至下呈线性均匀增加，所述第一节后侧壁、第二节后侧壁、第三节后侧壁、第四节后侧壁之间的长度比为(8‑9):(25‑26):(5‑7):(12‑14)；所述下横梁为斜坡结构，斜坡较高的一侧朝向正面，下横梁与上横梁相同皆为内部中空。...

【技术特征摘要】
1.一种变截面卧式加工中心立柱结构，其特征在于：一种变截面卧式加工中心立柱结构，包括上横梁、下横梁、纵向支撑柱、弧形加强筋，上横梁、下横梁和分别位于左右两侧的纵向支撑柱相互连接组成中空的回字结构，上横梁的截面呈直角梯形，上横梁内部中空，在上横梁内壁设置有弧形加强筋结构，所述纵向支撑柱包括左纵向支撑柱和右纵向支撑柱，左纵向支撑柱和右纵向支撑柱为关于中心立柱结构垂直中线的镜像结构，在左纵向支撑柱和右纵向支撑柱上分别设置有前侧壁和后侧壁结构，所述前侧壁由第一节前侧壁、第二节前侧壁和第三节前侧壁沿竖直方向由上至下依次连接组成，第一节前侧壁、第二节前侧壁和第三节前侧壁的壁厚由厚至薄依次为第三节前侧壁、第二节前侧壁、第一节前侧壁，第一节前侧壁和第三节前侧壁为均一厚度，第二节前侧壁的壁厚由上至下呈线性均匀增加，所述第一节前侧壁、第二节前侧壁、第三节前侧壁之间的长度比为(10-12):(4-5):(7-9)，所述后侧壁由第一节后侧壁、第二节后侧壁、第三节后侧壁和第四节后侧壁沿竖直方向由上至下依次连接组成，第一节后侧壁、第二节后侧壁、第三节后侧壁和第四节后侧壁的壁厚由厚至薄...

【专利技术属性】
技术研发人员：王珂，赵兴玉，张大卫，刘兴国，王佳，蔡翔，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12