大型鋁構件高速高效加工中心設計與輕量化研究.pdf

1、在軌道交通、公路客車、廂式貨車等領域，采用全鋁結構制造車體成為實現(xiàn)輕量化的一種必然趨勢。隨著大型整體空心復雜薄壁型材擠壓技術及焊接技術的成熟，大型鋁構件得到了廣泛的推廣與應用。近年來，我國高速列車技術得到了飛速發(fā)展，但在車體加工制造領域卻存在著短板，機加工所用的大型裝備仍然主要依賴于進口。針對于大型鋁構件特點和加工工藝特點的國產加工中心研究相對落后，加工效率低下、高速驅動及動態(tài)穩(wěn)定性等問題解決不徹底，在高速列車加工制造領域國產設備往往只

2、用于輔助工序，這大大增加了車體加工的成本，降低國產高速列車在世界上的競爭力。因此研究開發(fā)具有自主知識產權的、適用于鋁合金車體及其大型鋁構件的加工機床具有重要意義。
　　本課題研究的加工中心是根據動車車體及大型鋁構件結構特點、工藝特點，在繼承傳統(tǒng)金屬切削龍門加工中心基本特點的基礎上創(chuàng)新設計而成。對關鍵部件進行了輕量化設計，提高快移速度，同時通過拓撲優(yōu)化設計提高了橫梁的靜動態(tài)特性，解決高速運行帶來的動態(tài)穩(wěn)定性問題。
　　根據加工

3、中心的設計要求，采用模塊化設計基本原理和功能分析法實現(xiàn)機床的總體方案設計，一次裝夾可實現(xiàn)銑、鉆、鏜、擴、鉸及鋸切等加工?；谀K化設計的分離式立柱可快速更換，便于調整加工中心的Z向行程，同時降低了裝配難度。對X/Y/Z向的直線驅動系統(tǒng)進行了設計，介紹了雙電機伺服消隙系統(tǒng)的基本工作原理。
　　對原始的橫梁方案進行了靜動態(tài)特性分析，并對關鍵結合面進行了建模。立柱的螺栓結合面采用虛擬材料模型，通過計算獲取了虛擬材料層的彈性模量、泊松比和

4、密度;導軌結合面采用彈簧阻尼單元模型，獲取了彈簧單元的剛度系數。在有限元建模過程引入了結合面的參數，分別研究了受重力和切削力的工況下，刀頭沿Z向的位移變形情況，并分析了橫梁的前6階固有頻率。
　　基于拓撲優(yōu)化方法對橫梁結構進行輕量化設計，提高橫梁的動態(tài)性能，降低高速運行產生的振動。在Hypermesh中建立橫梁及其組件的有限元模型并設置優(yōu)化目標函數、約束函數以及邊界條件?；谧畲髣偠仍O計的拓撲優(yōu)化模型和特征值問題的結構動力學拓撲優(yōu)