旋風(fēng)銑頭主軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計
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王 帥，王 可，孫興偉
（沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870）
摘要：主軸是數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)中最重要的部件，主軸性能好壞會嚴(yán)重影響被加工工件的品質(zhì)，因此，對旋風(fēng)銑頭主軸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計是十分必要的。通過建立主軸優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型、選擇優(yōu)化方法、計算機(jī)求解，對旋風(fēng)銑頭主軸進(jìn)行了機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)更加合理。
關(guān)鍵詞：旋風(fēng)銑；主軸；優(yōu)化設(shè)計
中圖分類號：TG547 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
●引言
旋風(fēng)銑頭是切削過程中的執(zhí)行單元，其性能好壞 將會直接影響加工零件的表面質(zhì)量[1]。而其主軸更是機(jī)床旋轉(zhuǎn)運動的執(zhí)行件，因此對旋風(fēng)銑頭主軸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計是十分必要的。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展機(jī)計算機(jī)技術(shù)的普及，主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計逐步與計算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，利用計算機(jī)準(zhǔn)確、高效的特點，可將主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計和校核驗算同時進(jìn)行，使得主軸設(shè)計過程更加簡單、迅速[2-3] 。本文結(jié)合數(shù)學(xué)知識及計算機(jī)技術(shù)對旋風(fēng)銑頭主軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。
1建立優(yōu)化設(shè)計的數(shù)學(xué)模型
1.1 設(shè)計變量
旋風(fēng)銑頭的主軸是一根空心臺階軸，在實際加工過程中，旋風(fēng)銑頭主軸前端會受到徑向力F和力矩M的作用[4]。為方便使用材料力學(xué)知識進(jìn)行分析，可以對主軸結(jié)構(gòu)影響較小的臺階處進(jìn)行簡化[5]，使與之相連的軸頸尺寸一致。簡化后的主軸為一以當(dāng)量直徑表示的等截面軸，其他各軸頸尺寸均是在當(dāng)量直徑尺寸上根據(jù)實際情況和裝配要求一一選取的。受到載荷后的主軸變形如圖1所示。
旋風(fēng)銑頭內(nèi)孔用于通過棒料，其內(nèi)徑尺寸與棒料大小有關(guān)，是設(shè)計時所需的規(guī)定值，所以主軸內(nèi)徑d不作為優(yōu)化參數(shù)。一般地，主軸的強(qiáng)度和剛度主要受外徑D、跨距L和懸臂長度a的影響，故將D、L、a作為設(shè)計變量進(jìn)行優(yōu)化，用X表示：
1.2 約束條件
被加工零件的品質(zhì)好壞很大程度上受到旋風(fēng)銑頭主軸形變的影響，因此主軸性能與主軸剛度、扭轉(zhuǎn)變形等因素有著密切聯(lián)系，一般要求其不超過規(guī)定值。
1.2.1 主軸剛度約束
工件加工質(zhì)量很大程度上取決于主軸剛度[6] 。主軸前端在外力F的作用下，產(chǎn)生位移y F;在力矩M的作用下，產(chǎn)生位移y M。旋風(fēng)銑頭主軸前端位移y可認(rèn)為是同平面內(nèi)y F和y F之和，即y=y F + y M。當(dāng)外力F和力矩M給定時，懸臂端撓度y是設(shè)計變量X的函數(shù)，即y=y(X)。一般要求外伸端撓度y不得超過其規(guī)定值y0，即y≤y0。由材料力學(xué)知識可得[7] ：
其中：E為主軸材料的彈性模量。
1.2.2 偏轉(zhuǎn)角約束
2數(shù)學(xué)模型的優(yōu)化求解
3結(jié)論
通過旋風(fēng)銑頭主軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計實例可以看出：借助于數(shù)學(xué)理論和計算機(jī)程序，主軸優(yōu)化后的結(jié)果明顯好于優(yōu)化前的初值，符合主軸用料少、自重輕的設(shè)計目標(biāo)。其他各段軸頸尺寸可以將優(yōu)化結(jié)果作為依據(jù)·根據(jù)裝配需求等因素進(jìn)行選取和調(diào)整。至此，對旋風(fēng)銑頭主軸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計取得了理想結(jié)果。
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