外圆磨床床身结构优化设计

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 2.36MB 68 页 15积分

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摘要

磨削是机械加工行业的重要分支之一，磨削加工获得的工件质量比其它加工

方式精度高，经常用来作为机械加工的最后一道工序，广泛应用于车辆、电气、

船舶、钢铁冶金、军工、航空航天等行业领域。一个国家的磨削加工工艺水平的

高低，已经成为衡量该国机械制造水平的重要指标。长期以来，磨床床身的设计

制造大都是参考老一辈设计人员和前苏联的图纸进行，而当时由于条件的限制和

对磨床床身过多的安全方面的考虑，所设计的磨床床身均具有太大的安全系数，

致使磨床生产成本提高。随着科学技术水平的不断提高和一些现代设计方法的出

现，在保证磨床床身机械性能的前提下，减轻磨床床身的重量已经成为磨床结构

研究的主要方向之一。

本课题以某型号外圆磨床床身为研究对象，在对原结构进行分析动静态分析

的基础上，对磨床床身结构进行了优化设计。床身结构是一典型的支撑箱型结构，

以内部布置的加强筋板来提高床身的机械性能，而加强筋板的布置方式对机械性

能的影响很大。因此论文首先研究了以最大刚度为目标的支撑箱型结构内部加强

筋板分布优化设计方法，并应用于磨床床身结构的设计中；在此基础上，对加强

筋板位置及垫铁位置进行了详细的尺寸优化设计；为了进一步减轻床身的质量，

进一步对床身结构开展拓扑优化设计，得到具有良好刚度和较小质量的床身结构；

最后综合考虑制造约束条件，提出了若干个磨床床身结构的优选方案。

本文利用数字化分析与优化设计方法，完成了外圆磨床床身三维实体模型的

有限元分析和结构优化等工作。结果证明，本文所得到的优化的外圆磨床床身结

构比优化前的磨床床身结构具有更高的机械和经济性能。本文对外圆磨床床身结

构的分析及优化设计具有较大的实际意义和重要的参考价值。

关键词：磨床床身有限元支撑箱型结构结构优化

ABSTRACT

Grinding is an important branch of the processing industry, which is the last

process because of its higher quality than other processing methods. It is widely used in

automobile industry, electric power, shipping industry, metallurgy, military, aerospace

and other industries. The level of grinding process has become an important indicator of

a country's mechanical and manufacturing level. For a long time, the design and

manufacture of a grinder bed usually refer to the experience of the designers or the

drawings of the former Soviet Union. Because of the limitation of that time, too much

security consideration of a grinder bed make the grinder has a high cost. With the

improvement of technology and the emergence of some modern design methods, how to

decrease the cost of a grinder bed on the condition of ensuring the mechanical properties

has become one of the main research directions of machine tool design.

A typical cylindrical grinder bed is studied in this thesis. On the basis of the static

and dynamic analysis of the original grinder bed, optimal design method is suggested.

Grinder bed is a typical supporting box-type structure with inner stiffener plates. The

layout of the stiffener plates greatly impacts on the structure mechanical property of the

grinder bed. The paper studied the optimal layout design method of the stiffener plates

inside the supporting box structure with the optimal objective of the maximum stiffness

first. The sizing optimal design of the locations of the stiffener plates and blocks is

carried out secondly. In order to reduce the weight of the bed, the topology optimization

design of the bed is implemented finally. By considering the manufacturing constraints,

several design schemes are suggested.

The results show that the optimal structures have much better mechanical and

economical performances than the traditional structures. The suggested method has a

practical significance and reference to the structural design of machine tool.

Key Word: Grinder Bed, Finite element analysis, Supporting box

formation, Structural optimization

III

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ........................................................1

§1.1 课题研究的背景和意义 ........................................ 1

§1.2 磨床的概述 .................................................. 2

§1.3 国内外外圆磨床的研究与发展现状 .............................. 4

§1.3.1 国外研究与发展现状 ........................................ 4

§1.3.2 国内研究与发展现状及存在的问题 ............................ 5

§1.4 课题的研究思路及主要研究内容 ................................ 6

§1.4.1 课题的研究思路与方法 ...................................... 6

§1.4.2 课题的主要研究内容 ........................................ 6

§1.4.3 论文的结构安排 ............................................ 7

§1.5 本章小结 .................................................... 8

第二章原有外圆磨床床身的结构分析 ....................................9

§2.1 磨床床身的结构及其机械性能 .................................. 9

§2.1.1 磨床床身的结构 ............................................ 9

§2.1.2 磨床床身的机械性能 ....................................... 10

§2.2 原有外圆磨床床身的三维实体建模 ............................. 11

§2.2.1 设计依据及床身所承受荷载的状况 ........................... 11

§2.2.2 原有外圆磨床床身的三维实体建模 ........................... 12

§2.3 有限元分析方法 ............................................. 13

§2.3.1 有限元法的原理 ........................................... 13

§2.3.2 有限元分析的具体步骤 ..................................... 14

§2.3.2 有限元分析软件 ANSYS-Workbench 简介 ....................... 15

§2.4 原有外圆磨床床身结构的有限元分析 ........................... 18

§2.4.1 原有磨床床身结构的静态分析 ............................... 18

§2.4.1.1 有限元模型的建立 ....................................... 18

§2.4.1.2 有限元分析时载荷的施加 ................................. 19

§2.4.1.3 有限元结果分析 ......................................... 20

§2.4.2 原有磨床床身的模态分析 ................................... 23

§2.4.2.1 模态分析简介 ........................................... 23

§2.4.2.1 原磨床床身的模态分析 ................................... 23

§2.5 本章小结 ................................................... 25

第三章外圆磨床床身加强筋分布优化设计方法研究 .......................26

§3.1 结构优化设计概述 ........................................... 26

§3.1.1 结构拓扑优化设计发展概况 ................................. 27

§3.1.2 结构拓扑优化的方法 ....................................... 27

§3.1.3 结构优化设计的实现 ....................................... 29

§3.1.3.1 结构拓扑优化软件 OptiStruct 简介 ........................ 29

§3.1.3.2 Optistruct 的数学基础 .................................. 29

§3.2 外圆磨床床身加强筋分布优化设计方法研究 ..................... 30

§3.2.1 支撑箱型结构加强筋分布方法研究 ........................... 30

§3.2.2 支撑箱型结构加强筋分布研究的模型 ......................... 31

§3.2.2.2 基于变密度法的支撑箱型结构设计域的拓扑优化 ............. 32

§3.2.2.3 支撑箱型结构加强筋拓扑优化设计流程 ..................... 32

§3.2.2 外圆磨床床身内部加强筋分布优化设计研究 ................... 33

§3.2.2.1 磨床床身内部加强筋板布局设计 ........................... 33

§3.2.2.2 磨床床身简化模型的建立 ................................. 33

§3.2.2.3 磨床床身工作工况和承受载荷及优化目标、约束条件的确定 ... 34

§3.3 本章小结 ................................................... 37

第四章外圆磨床床身结构详细设计 .....................................38

§4.1 磨床床身内部加强筋和垫铁位置优化设计 ....................... 38

§4.1.1 参数化设计方法 ........................................... 38

§4.1.2 磨床床身的参数化设计 ..................................... 39

§4.1.2.1 参数化磨床床身有限元模型的建立 ......................... 39

§4.1.2.2 磨床床身内部加强筋板和垫铁位置参数化优化设计过程 ....... 40

§4.1.2.3 优化变量的选取 ......................................... 40

§4.1.2.4 优化结果分析 ........................................... 42

§4.2 床身结构开孔的拓扑优化 ..................................... 43

§4.2.1 建立有限元模型 ........................................... 43

§4.2.2 磨床床身开孔位置拓扑优化 ................................. 44

§4.3 基于制造因素磨床床身结构的方案确定 ......................... 46

§4.3.1 制造因素对磨床床身结构的影响 ............................. 46

§4.3.2 磨床床身结构方案的确定 ................................... 49

§4.4 本章小结 ................................................... 52

第五章优化前后磨床床身性能比较 .....................................53

§5.1 优化前后磨床床身静力学性能比较 ............................. 53

§5.2 优化前后磨床床身的模态分析 ................................. 54

§5.2.1 磨床床身振动及其原因 ..................................... 54

§5.2.2 优化前后磨床床身的动态性能比较 ........................... 55

§5.3 本章小结 ................................................... 57

第六章总结及展望 ...................................................58

§6.1 总结 ....................................................... 58

§6.2 前景展望 ................................................... 58

参考文献 ............................................................ 60

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ......................65

致谢 .............................................................. 66

第一章绪论

§1.1 课题研究的背景和意义

随着现代社会的快速进步和科学技术的飞速发展，先进的机械装备制造业在

整个国民经济中发挥着越来越重要的作用，装备制造业的水平反映着一个国家的

核心竞争力和综合实力。因此，大力发展机械装备制造业成为提升我国综合国力

的一个必不可少的环节。当前，我国经济正处在经济增长方式和经济结构调整的

关键阶段和大力振兴装配制造业的战略机遇期，正处在由制造大国向制造强国努

力推进的关键时期，为适应国家的战略需要，装备制造业需要提供先进和适用的

成套加工设备和工艺技术，这就要求，作为装备制造业的工作母机——机床工业，

将决定着国家振兴装备制造业的战略目标能否顺利实现，机床工业成为振兴装备

制造业的关键环节。

机床是机械装备制造业中重要的组成部分和最基本的设备，磨床作为机床的

一种，在机械加工中是专门用来做磨削加工的机械装置，磨削加工是机械行业中

重要的加工方法之一[1]。磨削加工比其它加工方式加工精度高，因此，磨削加工通

常作为机械加工的最后一道工序来完成，被广泛应用于车辆、电气、船舶、新能

源、钢铁冶金、航空航天等行业和领域。一个国家磨削加工工艺水平的高低已经

成为衡量该国机械制造水平的一个重要指标。

磨床是加工机械零件的关键设备之一，它的发展不仅由被加工对象的形状、

尺寸和加工精度等要求所决定[2]，而且也受到相关科技领域技术进步和社会发展的

影响。工业发达国家机床与磨床的构成比是1:0.2~0.25 ，而我国一直徘徊在

1:0.09~0.1之间，随着工业化水平的不断进步、以及经济和社会的发展，磨床在机

械装备中所占的比重会不断增加[3]。磨床的磨削精度以及其在机床中的所占比例的

大小，在一定程度上反映了一个国家的机械加工水平。

磨床床身是外圆磨床最主要的组成部分之一，起支撑和加工导向作用。磨床

床身的设计需要满足刚度大、变形小、抗震性强等性能要求。当前，国内的磨床

床身的设计大都还是参考老一辈设计人员的设计经验，结合前苏联的相关设计图

纸进行设计的，磨床床身内部的孔的位置、形状和加强筋的布局格式等都是根据

经验或参考已有结构进行初步设计，然后再按照传统设计理论确定磨床床身的壁

厚、内部开孔的尺寸和加强筋的尺寸[3,4]。由于当时条件的限制和基于对磨床床身

安全的过多考虑，现有的磨床床身都有很大的安全系数余量，这样就造成了钢材

外圆磨床床身结构优化设计

的无谓浪费，同时也增加了磨床的生产成本。因此，这种经验设计方法不是最合

理的。一直以来，磨床床身大多都采用铸件来制造[5]。随着钢材价格的不断上涨，

磨床床身的优化减重，已经成为提高磨床市场竞争力最重要的方法之一。因此，

为提高产品的市场竞争力，提高企业效益，在满足磨床基本功能的前提下，保证

磨床的精度稳定性和性能可靠性的前提下，尽可能简化其结构，努力降低磨床生

产成本，成为磨床床身研究的一个重要方向。

本课题的研究对象是某型号的外圆磨床床身。借助三维制图软件建立磨床床

身的模型，再借助大型有限元分析和结构优化软件，在保证此外圆磨床床身刚度

的基础上，以减轻磨床床身的重量为研究目标，综合考虑制造约束等条件，在对

箱型支撑结构加强筋布置方法研究的基础上，对磨床床身进行结构分析和拓扑优

化设计，得到磨床床身内部加强筋的最优布局格式和磨床床身内部孔的合理位置，

从而提高了材料的利用率。在得到最优的磨床床身结构形态的基础上，对磨床床

身的几种改进方案进行优选，从而得到创新的磨床床身结构。本课题探索了磨床

床身的优化设计方法，不仅对提高磨床的技术经济性能具有较大的实践指导意义，

而且所提出的方法对机床床身等大型铸造结构的优化设计具有一定的指导意义。

§1.2 磨床的概述

磨床是一种利用磨具（砂轮、砂带、油石、游离磨料等）对工件表面进行磨

削加工的机床，它在装备制造业中是一种不可或缺的机械加工设备。对于在车、

铣、刨、钻等机床上不能加工的淬硬材料（如淬硬钢、硬质合金钢等）和难加工

材料，都可用磨床进行加工，此外，磨床还可以加工脆性材料（如花岗石、玻璃

等），磨床的加工精度和工件的表面光洁度均比其它种类机床加工的要高[6,7]。近

年来，随着新磨料的出现和高速高效磨削技术的快速发展，磨床的加工领域越来

越大，磨床在装备制造业中的地位越来越高，对国民经济的发展也越来越重要。

在各类金属切削机床中，磨床是型号和种类最多的一种加工设备，主要类型

有外圆磨床（包括万能外圆磨床和无心磨床）、平面磨床（包括双端面磨床、矩

台磨床）、工具磨床和其它磨床（包括内圆、螺纹、坐标磨床等）四类。除以上

主要的四类之外，还包括珩磨床、研磨机、砂轮机、抛光机、超精密加工机床和

粗磨机等[6]。其中，外圆磨床是在所有磨床中应用最广泛的一类机床，它以两顶

心为中心，以砂轮等为刀具，将圆柱型钢件研磨出精密同心度的磨床（又叫顶心

磨床或圆筒磨床），如图 1-1 所示，它能加工出各种圆柱形和圆锥形外表面和轴

肩端面。外圆磨床分为普通外圆磨床和万能外圆磨床两种，万能外圆磨床还带有

内圆磨削附件，可以磨削内圆柱面和内圆锥面。外圆磨床组成部分主要包括：床

第一章绪论

图 1-1 某外圆磨床外形图

Fig.1-1 Outside drawing of a Cylindrical Grinder

表1-1 某外圆磨床的详细参数

Table 1-1 Detail parameters of a Cylindrical Grinder

机床规格

ф320mm×1000mm

可磨工件直径

用中心架

最小（min）ф10mm

最大（max）ф60mm

不用中心架

最小（min）ф8mm

最大（max）ф320mm

可磨最大工件长度

1000mm

中心高

180mm

顶尖距离

1000mm

头架主轴转速 50Hz

180r/min

砂轮尺寸

ф600×75×ф305mm

砂轮线速度

35m/s

砂轮主轴转速

1130r/min

机床电气总功率

13.45KW

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摘要：

I摘要磨削是机械加工行业的重要分支之一，磨削加工获得的工件质量比其它加工方式精度高，经常用来作为机械加工的最后一道工序，广泛应用于车辆、电气、船舶、钢铁冶金、军工、航空航天等行业领域。一个国家的磨削加工工艺水平的高低，已经成为衡量该国机械制造水平的重要指标。长期以来，磨床床身的设计制造大都是参考老一辈设计人员和前苏联的图纸进行，而当时由于条件的限制和对磨床床身过多的安全方面的考虑，所设计的磨床床身均具有太大的安全系数，致使磨床生产成本提高。随着科学技术水平的不断提高和一些现代设计方法的出现，在保证磨床床身机械性能的前提下，减轻磨床床身的重量已经成为磨床结构研究的主要方向之一。本课题以某型号外圆...

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