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立式加工中心关键部件结构优化及铸造工艺设计

作　者: 熊康
导　师: 吴志超
学　校: 华中科技大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 机床结构优化铸造工艺有限元分析协同优化
分类号: TG659
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
下　载: 8次
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内容摘要

机床是现代制造业的基础装备，它在各个行业的应用非常广泛和深入。几十年以来，机床制造企业的设计工作大部分仍处于沿用的已有经验重设计和静态设计阶段，安全余量大，设计水平停滞不前。同时机床制造业不注重生产工艺的改进和创新，生产过程能耗大﹑排放物多，产品铸件普遍加工余量大，成品率不高。针对这种局面，采用基于虚拟试验的CAE软件对机床结构和铸造工艺进行协同设计优化，对生产工艺进行高效低耗改造和绿色化研究就显得尤为必要。本文以立式加工中心为研究对象，使用有限元软件对其关键部件结构进行了静态和动态分析，得到各个部件的应力应变分布、结构变形量的大小和低阶固有频率与振型。分析发现，以立式加工中心的几何精度检验标准为参考，关键部件的变形量均符合精度要求，应力应变符合结构刚度要求。但是底座的低阶固有频率较低，容易导致这个重要支承件受到干扰力的作用而发生强迫振动。立柱的安全余量大，有明显的减重潜力。在此基础上，使用UG的建模功能，对立柱和底座进行参数化建模，标识设计尺寸变量，建立与ANSYS Workbench的双向数据连接，对立柱和底座的尺寸进行了多目标优化设计。采用中心复合试验设计方法进行了试验，生成响应面模型，结合灵敏度分析以及铸造工艺约束，提出优化尺寸和改进结构。成功对立柱进行了轻量化，减重7.55%，前两阶固有频率分别提高4%-5%。分析底座固有频率较低的原因是排屑槽的影响，提出了改进的筋板结构和优化方案，最终底座一阶固有频率提高至200Hz以上，避开共振区间。最后以立柱为典型铸件进行研究，探讨铸造工艺以及铸件结构进行协同设计优化的可行性。设计了负压干砂消失模铸造工艺和浇注系统，对铸造过程进行仿真，判断铸造工艺和浇注系统的合理性，对铸件结构进行调整，确定了改进的铸造工艺方案和最终的铸件结构。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-9
1 绪论  9-18
  1.1 课题背景、来源及意义  9-11
  1.2 课题研究发展概况  11-17
  1.3 课题研究主要内容  17-18
2 机床关键部件结构分析  18-34
  2.1 机床结构参数  19-24
  2.2 机床静态结构分析  24-30
  2.3 机床结构动态分析  30-33
  2.4 本章小结  33-34
3 立柱和底座结构优化  34-58
  3.1 结构优化的基本过程和原理  34-36
  3.2 立柱的结构优化  36-49
  3.3 底座的结构优化  49-56
  3.4 本章小结  56-58
4 铸造工艺设计及铸件结构改进  58-76
  4.0 消失模铸造工艺分析  58-59
  4.1 浇注系统设计  59-61
  4.2 工艺模拟分析  61-69
  4.3 工艺方案的改进和铸件结构的调整  69-74
  4.4 本章小结  74-76
5 全文总结和展望  76-78
  5.1 全文总结  76-77
  5.2 研究展望  77-78
致谢  78-79
参考文献  79-84
攻读硕士学位期间发表的论文  84

立式加工中心关键部件结构优化及铸造工艺设计

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