铣车复合加工中心立柱高比刚度效能仿生设计研究*

谢黎明 ，杨忠泮 ，靳 岚，宋 博

(兰州理工大学 a.数字制造技术与应用省部共建教育部重点实验室；b.机电工程学院，兰州 730050)

铣车复合加工中心立柱高比刚度效能仿生设计研究*

谢黎明a,b，杨忠泮b，靳 岚a,b，宋 博b

(兰州理工大学 a.数字制造技术与应用省部共建教育部重点实验室；b.机电工程学院，兰州 730050)

针对某型铣车复合加工中心立柱的轻量化问题，文章基于仿生设计原理和方法，在分析铣车复合加工中心立柱工作载荷的基础上，从空茎植物的力学与构型特性出发，以高比刚度结构效能为目的，对立柱内部结构进行仿生设计。通过对仿生型立柱进行静力和模态仿真分析，其结果表明，仿生型立柱的质量减轻，比刚度结构效能得到较大提高，其静动力学性能也有显著改善。

铣车复合加工中心；立柱；比刚度结构效能；仿生设计

0 引言

本文以铣车复合加工中心立柱为研究对象，从结构仿生的设计原理出发，以提取空茎植物的构型特性为依据，以立柱工作载荷计算结果为条件，并以机床立柱达到高比刚度效能为目的，对铣车复合加工中心立柱的内部进行了结构仿生设计，并对优化后立柱结构进行静力和模态仿真分析，为机床支承件结构设计提供了新的思路。

1 立柱结构仿生设计

动物的骨骼、植物的枝条根茎等“生物支架”，充分体现了自然进化的最优结构，以最少的材料承受最大的载荷，从而获得结构效能最大值[1-2]。空茎植物具有最优的力学性能，其结构特征主要表现为：硬质材料集中在外面，中间为松软状物质，同时表层组织的弹性模量大于沿纵向周向而又远大于内部组织，而弹性模量对于结构的高比刚度效能起到关键性作用。

在结构方面，立柱与中空植物茎杆十分相似，都存在连续和离散结构的布局；在功能方面，除去生物机理外，立柱与茎杆都是在整个生物体中作为支承件，承受其他部件和载荷引起的压力和弯矩，相似于植物叶片对叶柄施加压力和弯矩。因此，生物体的轻质空心结构是高比刚度效能设计的首选原型[3]。从生物结构仿生思想出发，在分析植物茎杆结构规律的基础上，以不改变铣车复合加工中心立柱现有整体功能结构为前提，根据叶柄截面的生物组织形式，对立柱隔板筋板进行仿生演进设计。

1.1 仿生设计过程

结构仿生设计主要分为以下3个步骤：

(1)生物结构原则分析。根据机械结构的功能要求，进行相似性分析，总结相对应生物体构型原则。

(2)仿生设计应用。将所述生物体结构的构型原则应用于机械结构改进。

(3)优化模型确定。将仿生型与原型结构进行对比，确定最优仿生型结构并总结规律。

1.2 生物体构型分析以及应用

(1)主受压区域：因为叶柄在主受压区域增加材料密度和尺寸，所以在立柱的主受压区，以提高抗弯性能为目的，抵抗导轨受力引起的弯曲变形，适当增加向心状仿生隔板，提高抗弯性能。

(2)主受拉区域：立柱左右外侧面受拉明显，结合铸造工艺和结构仿生构型比拟的基本原则，侧面筋板采用辐射状“太阳筋”改进结构可以有效提高整体刚度。结合芭蕉叶柄内部结构对立柱内部做仿生设计，确定在墙体式封闭型对称框架结构的立柱内部增加放射状封闭截面隔板，最后在结合立柱工作载荷分析结果，从结构高比刚度及轻量化要求出发，立柱内部结构优化设计结果如图1和图2所示。

图1 仿生型立柱筋板和隔板结构形式

图2 仿生型和原型立柱结构对比图

2 立柱工作载荷计算

2.1 立柱所受最大载荷分析

立柱与其相连的横梁及直驱动力摆头刀架的装配关系如图3所示。当横梁移动到立柱上方行程极限位置时，立柱所承受扭转力矩达到最大值；当直驱摆头动力刀架处在横梁正中间位置时，立柱所承受的弯矩达到最大值，立柱在此处受到最大工作载荷[4]。立柱通过直线滚动导轨与横梁相连结，立柱在X、Z方向所受的载荷加载于横梁和立柱的导轨相接触的工作线上，立柱在Y方向所受的载荷加载于导轨接触工作面上。当立柱处于最大工作载荷位置时，坐标原点O设为立柱左边导轨的的工作面上。

图3 立柱最大工作载荷工位及空间直角坐标系

2.2 切削力计算

铣车复合加工中心可以实现铣、镗、车、钻、扩等功能。按照“典型危险工况”原则,选择铣削力为极限状态下主轴最大切削力载荷，利用单位切削力乘以平均铣削面积，并根据不同切削条件进行修正求得，主轴端3个方向切削力分别为：

(1)

(2)

径向力 ：Fy=0.9Fx=5936N

(3)

轴向力 ：Fz=0.9Fx=4617N

(4)

式中，ae为铣削宽度；ap为铣削深度；af为每齿经济量；Z为铣刀齿数；d0为铣刀直径。

2.3 立柱在工作线上的载荷计算

设墙体式立柱左右两侧的工作线上总载荷沿空间3个坐标轴各有2分量，即6个矢量在立柱左、右两侧工作线上，由惯性力和切削反力对立柱工作线产生总工作载荷如表1(表中下标1、2分别表示立柱左、右两侧工作线)。

表1 立柱工作线产生的总工作载荷

3 仿生型立柱静力学及模态分析

3.1 静力学分析

表2 立柱静力学分析结果

(1)应力应变分析：仿生型最大应力值是原型的1.9倍，但是立柱加载后最大应力值远小于材料HT300的强度极限300MPa。设计立柱这类支承件时，在静刚度满足的基础下，获得较高的刚度—重量比才是主要目的。后者在很大程度上反映着设计的合理性。所以，把更多的材料分配到受载大，变形大的区域，而非应力集中区。

(2)轻量化结果：立柱质量由原来的9815kg，减小到9255kg，减重达5.7%。

(3)静力学性能：最大变形减小，在加工误差敏感方向的Y方向由9.0μm下降到8.8μm，减小了2.2%，虽然仿生型立柱最大变形9.9μm发生在内部筋板处，但立柱上端变形明显改善。同时立柱质量减轻，比刚度效能提高14.3%。说明立柱静态特性得到有效提升。

图4 原型立柱变形云图

图5 仿生型立柱变形云图

3.2 动态性能分析

立柱前六阶固有频率及振型进行比较分析如表3，前三阶模态振型图如图6所示 。

表3 立柱固有频率及振型

(a)第一阶振型 (b)第二阶振型 (c)第三阶振型图6 立柱前三阶振型

仿生型立柱的各阶振型与原型立柱大致相同，但仿生型立柱的各阶固有频率比原型都有了不同程度提高。从前六阶固有频率看出，立柱以整体振型居多。在大部分阶次下，立柱上端振幅较大，振型明显，这是由于加工中心的立柱采用底部固定方式，且立柱较为高大，较大振幅出现在第三、四、六阶模态。第三、四阶为扭转振型，立柱上部扭转振幅最大；立柱第六阶为弯曲振型，沿X轴方向弯曲，中部振幅较大。立柱的前六阶振型主要表现为弯曲和扭转，所以提高抗弯和抗扭性能是优化工作的重点。由于在空载和满载工况条件下，当激振频率在80Hz时，Y方向对加工精度影响最大[5]。经过仿生优化，立柱的一阶固有频率提高1.3%，而振幅较大的三、四、六阶固有频率也分别提升0.34%、11.6%、2%，并且加工误差敏感方向的Y方向变形减小了2.2%。说明运用结构仿生优化后的立柱抗振性能和整机加工精度都得到了一定的改善及提升。

4 结论

本文在分析铣车复合加工中心立柱工作载荷的基础上，根据空茎植物的力学与结构特点，以立柱的高比刚度效能为目的对其结构进行仿生设计，结果表明，仿生型立柱的比刚度效能提高14.3%，一阶固有频率提高1.3%，质量减轻5.7%，加工误差敏感方向的Y方向变形减小了2.2%。达到了较为满意结果，为高速机床结构件设计提供了新的思路。

[1] 赵岭,王婷,梁明,等.机床结构件轻量化设计的研究现状与发展[J].机床与液压,2012,40(15): 145-147.

[2] 焦洪杰,张以都,陈五一.基于植物茎杆构型的扫描架塔柱设计比较[J].机械技术史及机械设计,2008(10): 194-200.

[3] 焦洪杰,张以都,陈五一,等.低RCS立柱结构仿生设计及分析[J].武汉理工大学学报,2009,31(5): 83-85.

[4] 沈浩,杨三龙,张在杰,等.铣车复合加工中心立柱工作载荷分析[J].机械与电子,2012(9): 39-42.

[5] 杜义康.铣车复合加工中心直驱转台静动态特性分析及结构优化[D].兰州：兰州理工大学,2013.

[6] 岑海棠.结构仿生理论、轻质零件结构仿生设计及RP工艺验证[D].北京:北京航空航天大学,2004.

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(编辑 李秀敏)

High SME Bionics Structure Design of Vertical Column Based on Milling-turning CNC

XIE Li-minga,b,YANG Zhong-panb,JIN Lana,b,SONG Bob

(a.Key Laboratory of Digital Manufacturing Technology and Application, The Ministry of Education;b.School of Mechanical and Electronical Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China)

Aimed at the lightweight request of Mill-turning CNC column, based on the theory of biological structure design and the stress and structure features of the ideal modal of the hollow-stem plant’s, and combined with the structure and functional requirements of Mill-turning CNC column, this article presents a bionic design of the interior structure of a column to achieve higher SME(Specific stiffness structural efficiency ) after the analysis of the working load of Mill-turning CNC column, while its existing overall functional structures are maintained. According to the static and modal simulation analysis of the bionic column and the finite element analysis (FEA), compared with the prototype column, the weight of the bionic column is reduced,the SME is increased markedly,the first order frequency is increased and the dynamic and static characteristics are also improved.

mill-turning CNC;column;SME;biological structure design

1001-2265(2017)01-0138-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.01.038

2016-03-09

“高档数控机床与基础制造装备”国家科技重大专项(2010ZX04001-032)

谢黎明(1962—)，男，回族，安徽黄山人，兰州理工大学教授，硕士，研究方向为先进制造技术及高速数控机床等，(E-mail)yzp90911@sina.com；通讯作者：杨忠泮(1990—)，男，兰州人，兰州理工大学硕士研究生，研究方向为先进制造技术，(E-mail)363583280@qq.com。

TH114；TG659

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