基于 HyperWorks 的拉床主溜板优化设计

Optimization Design of Broaching Machine Tool Slide Based on HyperWorks

应申舜 1 林绿高 2 蒋莹2

( 1. 浙江工业大学 特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室 杭州 310014 2. 杭州畅尔机床有限公司 杭州310019)

　　摘 要:以 Altair HyperWorks 系列软件为分析平台，对某型号拉床主溜板进行结构优化。分析结果 表明，优化后的主溜板在满足最大变形约束要求下，第一阶自然频率提高 31.2%，材料节省 7.8%。

　　关键词：拉床 主溜板 HyperWorks 有限元分析

　　Abstract: The finite element software HyperWorks is applied as an analysis platform to optimize a broaching machine tool slide. Simulation with the optimized tool slide shows that the first order natural frequency is increased by 31.2% and material savings of 7.8%.

　　Key Words: Broaching Machine, Tool Slide, HyperWorks, FEA

　　1 概述

　　拉床是一种采用拉刀加工各种内外成型表面的机床，生产效率高，加工质量好，广泛应用于汽 车、摩托车、农机、航空及工程机械等行业。近年来，由于机床工业对发展制造业和提升实体经济 具有战略意义，各国政府和相关学者高度重视对拉床和拉削技术的研究。如，近年来，英国诺丁汉 大学 D.A. Axinte 等对拉削过程在线检测、控制系统和拉削工艺[1, 2]进行了系统研究。我国专家也对 拉削振动的产生机理和抑制方法展开了研究[3, 4]。这些工作对于提高拉削精度和自动化水平具有一定 作用。

　　拉床加工过程的主运动是主溜板的直线运动，进给运动则靠拉刀本身的结构来实现。主溜板在 拉床加工工件时，要承受切削力、机床部件和工作重力、内部传动机构的作用力，它们产生的变形 对工件的加工精度和表面质量有很大的影响。哈尔滨工业大学的王家春等分析了气浮溜板的振动情 况，建立了以空气做动器为执行元件的溜板二自由度振动主动控制系统的数学模型[5]。武汉理工大 学贺大兴等人结合超精密机床的发展规律，运用优化设计的方法，设计了无迟滞、自耦合的溜板结 构避免了导轨误差产生的流通激振[6]。目前，对拉床主溜板的结构优化设计研究还鲜见报道。

　　国内外很多学者和专家把有限元的方法运用到机床设计中，并取得了显著成果，从而使机床的 加工精度、加工效率和寿命得到了提高，并降低了生产成本[7, 8]。本文所展示的研究成果，就是采用 有限元方法和 Altair 公司的 HyperWorks 系列软件为分析平台，对 LG5710 拉床主溜板进行优化设 计。首先建立主溜板有限元模型，进而进行主溜板静力学分析，以验证进一步优化的可能;接着进 行模态分析，预测主溜板的动态特性和薄弱环节;然后提出主溜板结构优化方案，基于 OptiStruct 平台进行拓扑优化。最后获得 LG5710 主溜板优化设计几何模型与量化的性能对比分析结果。

　　2 有限元建模

　　有限元建模是进行有限元分析和优化设计的基础，主要包括网格划分、边界条件和载荷设定。 单元质量的好坏往往直接影响有限元求解结果的精确性。细密的网格可以使结果更精确，但是也会 增加 CPU 计算时间，并且需要更大的存储空间。建立主溜板单元属性：各向同性，四面体网格，网 格单元大小为 10mm，采取自动网格划分。主溜板网格节点数：49254，单元数目：212648。材料 为 45 号钢。如图 1 所示。

　　在对拉床主溜板施加载荷约束时，尽可能地接近实际：(1)拉床主溜板承受的外力载荷为油缸对主溜板的推力和加工工件对主溜板上工作台的压力，按照实际情况选择载荷类型为 Force(集中 力);(2)主溜板与导轨接触处要限制所有自由度，施加全约束，选择约束类型为 SPC(固定约束)。

　　将工作台中心孔内所受集中力等效成工作台孔表面的均布压力，这个均布压力可以由力和力矩 平衡求得，在施加这个均布压力载荷时可以直接施加在工作台的表面上，并指向面内。同理，油缸 与主溜板的接触力也可以用此方法，等效成表面的均布压力。油缸对主溜板的推力为 200KN，主溜 板的重量为 4.85t，由于主溜板为匀速运动，所以，工件对工作台的挤压力为 151.5KN。如图 2 所示。

　　3 静力学分析

　　该拉床在工作时，由于拉刀和工件接触会产生很大的拉削力，主溜板整体会产生应力和变形。 如果发生的变形大于允许的误差要求，那么生产出来的废品将会大大增加，影响生产效率和经济效 益。如果受到的应力大于主溜板所用材料的屈服极限，主溜板将发生很大变形，甚至发生破坏造成 危险。通过对主溜板进行静力分析，可以得到主溜板的应力和应变，验证主溜板的刚度和强度是否 满足工作性能要求，为主溜板的正常工作提供保障。

　　采用 OptiStruct 求解器计算上述有限元模型，如图 3 所示为主溜板整体位移分布云图。总的来 说，从中间沿 x 正负方向逐渐增加。主溜板的大部分变形在 0~0.248mm 之间，最大整体变形为0.279mm，位于工作台的边上。这是由于拉床工作时，工作台上孔附近产生较大的形变，传递到远 离孔的工作台边上。主溜板在 x、y、z 方向的方向变形和整体变形均小于 0.05mm，这说明主溜板能保证在最大承载条件加工产品的精度，满足刚度要求。

　　从图 4 可以看出，主溜板受到的应力集中在工作台和溜板主体相连处和油缸接口与主溜板主体 相连处，其应力最大值为 176.2MP。位置在与主溜板主体相接处。主溜板选取 45 号钢，其屈服强 度为 355MP，主溜板大部分区域安全系数为 N = σ s / σ max = 355 / 176.2 = 2.015 。主溜板应力分布不 均匀，主体和工作台还有很大的应力余量。从以上分析可以得出，主溜板设计的安全系数较大，远 远超过静强度要求。由图 4 可以得出，主溜板低应力区域过多，高应力区域占的比例太小，应力分 布不均匀。从应力分析的角度，材料抵抗破坏的能力还有很大余量，所设计的主溜板安全系数达到2 以上，设计过于保守。应力值低于材料的强度极限，应力集中不会影响主溜板的刚度，主溜板有 进一步优化的可能。

　　4 模态分析

　　在 HyperMesh 中做结构模态分析，边界条件的施加要尽量和主溜板实际工况接近。如图 5 所示 为主溜板前 6 阶模态参数与振型，可见主溜板的振型多表现为局部的弯曲扭转组合变形，响应较大的 部位位于工作台与工件接触处和与油缸接触处。工作台与主溜板相连处受到的集中应力较大、局部刚 度较低，为了提高主溜板的性能，有必要在此部位进行结构改造，增强主溜板的力学性能。

　　5 主溜板拓扑优化

　　前面内容分别对拉床主溜板进行静力学分析和模态分析。通过静态分析，我们得知主溜板是满足 强度和刚度要求的，但是设计较保守。通过模态分析，我们知道主溜板基本上满足动力学性能要求， 但是主溜板在一些部位具有相对较大的响应位移和响应应力，这些部位是主溜板可能的薄弱环节。在 不改变主溜板大的结构的前提下，提出主溜板进行结构改造方案：一是在工作台和溜板主体连接部位 设置加强筋;二是利用拓扑优化减少富余材料。

　　前面已经定义初始的包括实体单元、单元属性、材料属性、载荷和边界条件的有限元模型。现在 需要对模型进行拓扑优化，以单元密度为设计变量，优化的目标是减少使用的材料。但是，减少材料 后可能会导致刚度的降低以及变形加剧，因此，在优化过程中需要确定位移的约束，这样可以在使用 的材料和模型的总体刚度上达到一定的平衡。在拉削中工作台的变形直接影响工件加工质量，需要对 孔中心处节点的位移进行约束，使其在 Z 轴方向上的位移不超过 0.05mm。

　　图 6 所示为可设计材料最优化布局的等值面图，保留 0.3 密度值以上的材料。由于没有制定设计 区域，上图保留的材料实际上破坏了主溜板与工作台导轨连接的部分，因此我们在拓扑优化基础上， 在几何模型中做出补偿。如图 7 所示，大体按照拓扑优化和增加加强筋的方案实现结构优化。表 1 给 出了优化前后的部分性能对比。可见在工程用料方面，优化前主溜板重量约为 4.850t，优化后主溜板

　　重量约为 4.498t，节省了 0.352t，从而减轻了重量，同时节约了成本。在动态特性方面，第一阶自然频率显著提高，大幅度改善了结构刚度。

　　6 结论

　　本文使用 HyperWorks 软件完成对拉床主溜板的结构优化设计。采用 HyperMesh 对主溜板进行 网格划分，采用 OptiStruct 进行静力学分析、模态分析和拓扑结构优化。优化后拉床主溜板在结构上 发生较大改变，减少了工程材料，降低制造成本，同时动态性能也得到了显著提高。

　　7. 参考文献

　　[1] Axinte, D., et al., Broaching of Ti-6-4-detection of workpiece surface anomalies on dovetail slots through process monitoring[J]. CIRP Annals-Manufacturing Technology, 2005. 54(1): p. 87-90.

　　[2] Shi, D., D. Axinte, and N. Gindy, Development of an online machining process monitoring system: a case study of the broaching process[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2007. 34(1): p. 34-46.

　　[3] 杨洪滨, 樊志涛, L6120 拉床啸叫噪声的产生原因与处理[J]. 制造技术与机床, 2005(1): p. 81-82.

　　[4] 朱秀杰, 许小村, 拉削振动的数学分析和实验研究[J]. 哈尔滨科学技术大学学报, 1995. 19(4): 1-5. [5] 王加春, 超精密机床溜板的振动主动控制系统研究[D], 2002, 哈尔滨工业大学: 哈尔滨.

　　[6] 贺大兴, 实现机床溜板 1nm 分辨率运动的相关理论及关键技术研究[D], 2009, 武汉理工大学:武汉.

　　[7] Fleischer, J., C. Munzinger, and M. Tröndle, Simulation and optimization of complete mechanical behaviour of machine tools[J]. Production Engineering, 2008. 2(1): p. 85-90.

　　[8] Mori, M., et al., Design optimization and development of CNC lathe headstock to minimize thermal deformation[J]. CIRP Annals-Manufacturing Technology, 2009. 58(1): p. 331-334.