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立式加工中心焊接结构设计及其动静特性研究

张平  
【摘要】:加工中心是带有刀库和自动换刀装置的一种高度自动化的多功能数控机床,其技术水平和保有量是一个国家制造业水平、工业现代化程度和国家综合竞争力的重要标志。数控机床结构件常选择整体铸造,然而铸造工艺过程长,生产成本持续增加,特别是在环境压力和短周期交货需求的新形势下,整体铸造受到挑战,设计制造优化快的焊接结构床身设计与制造开始受到重视。目前,国内外焊接结构机床已经成功在成形与普通切削机床中应用,但在精度要求较高的立式加工中心中焊接结构的应用较少,并存在简单模仿铸造结构引发的焊缝密集、焊接变形大、焊接残余应力较高等问题。本文结合目前立式加工中心发展的现状,以VMC1580立式加工中心为研究对象,通过有限元软件ANSYS workbench仿真分析,在对现有铸造结构立式加工中心进行有限元仿真分析的基础上,设计了焊接结构立式加工中心,保证其强度和刚度不低于铸造结构,并可实现良好的焊接制造,主要研究内容和结果如下:(1)运用Solid Works对现有VMC1580立式加工中心立柱及床身建模,通过ANSYS workbench进行数值模拟,分析了静力学的应力/变形特性及前六阶模态振型特征,为设计焊接结构立式加工中心提供了重要基础。(2)根据铸造结构分析结果,通过对焊接结构立柱、床身的静力学分析及模态分析,对比焊接和铸造结构部件的力学性能,进一步优化焊接结构设计。在合理的布置内部筋板结构的基础上,创新设计了有利于焊接的“管-板”焊接结构立式加工中心,有效抵抗薄壁颤振效应。研究结果表明,在整体强度好、刚度不低于铸造结构的基础上,焊接结构立柱和床身较铸造结构质量分别降低22%和13%。(3)对焊接结构立式加工中心样机整机进行了静力学分析和模态试验,研究结果表明,焊接结构立式加工中心具有较好的抗振性,与仿真分析的结果对比也验证了有限元模型的正确性。


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