本發明屬于機械工程領域，具體涉及一種變截面臥式加工中心立柱結構，作為“框中框”結構臥式加工中心機床的立柱。

背景技術：

近年來，我國機床不斷向高精度、高速度的方向發展，對機床提出了更高的要求。機床剛度決定其加工質量，而構件的結構對機床剛度產生較大的影響。因此，對構件結構進行合理設計，能較大改善機床剛度。傳統機床結構設計主要采用經驗、類比等方法；該類方法缺乏系統的理論指導，在實際設計中，往往出現材料利用率低、設計結構笨重等現象。而且，目前市場上的機床立柱大多為整體鑄造形成，傳統設計立柱內部有較多的筋板結構，增加了鑄造的難度，而且在澆鑄時筋板結構易產生砂眼、澆不足等問題，影響立柱的剛度。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種全新的立柱結構，提高材料的利用率，使其在靜動態剛度提高的同時，重量減輕，加工難度降低，節約加工成本。

為了實現上述目的，本發明提供一種變截面臥式加工中心立柱結構，即在外形上做適當的改進，內部結構上，把傳統立柱的橫縱向十字筋板去除，將立柱截面分段設計為壁厚不斷變化的形式。

一種變截面臥式加工中心立柱結構，包括上橫梁、下橫梁、縱向支撐柱、弧形加強筋，上橫梁、下橫梁和分別位于左右兩側的縱向支撐柱相互連接組成中空的回字結構，上橫梁的截面呈直角梯形，上橫梁內部中空，在上橫梁內壁設置有弧形加強筋結構，所述縱向支撐柱包括左縱向支撐柱和右縱向支撐柱，左縱向支撐柱和右縱向支撐柱為關于中心立柱結構垂直中線的鏡像結構(即左右對稱)，在左縱向支撐柱和右縱向支撐柱上分別設置有前側壁和后側壁結構，所述前側壁由第一節前側壁、第二節前側壁和第三節前側壁沿豎直方向由上至下依次連接組成，第一節前側壁、第二節前側壁和第三節前側壁的壁厚由厚至薄依次為第三節前側壁、第二節前側壁、第一節前側壁，第一節前側壁和第三節前側壁為均一厚度，第二節前側壁的壁厚由上至下呈線性均勻增加，所述第一節前側壁、第二節前側壁、第三節前側壁之間的長度比為(10-12):(4-5):(7-9)，所述后側壁由第一節后側壁、第二節后側壁、第三節后側壁和第四節后側壁沿豎直方向由上至下依次連接組成，第一節后側壁、第二節后側壁、第三節后側壁和第四節后側壁的壁厚由厚至薄依次為第四節后側壁、第三節后側壁、第二節后側壁、第一節后側壁，第一節后側壁、第三節后側壁為均一厚度，第二節后側壁和第四節后側壁的壁厚由上至下呈線性均勻增加，所述第一節后側壁、第二節后側壁、第三節后側壁、第四節后側壁之間的長度比為(8-9):(25-26):(5-7):(12-14)；所述下橫梁為斜坡結構，斜坡較高的一側朝向正面，下橫梁與上橫梁相同皆為內部中空。

進一步的，所述第一節前側壁、第二節前側壁、第三節前側壁之間的長度比優選為(10-11):(4-5):(7-8)。

進一步的，所述第一節后側壁、第二節后側壁、第三節后側壁、第四節后側壁之間的長度比優選為(8-9):(25-26):(5-6):(12-13)。

進一步的，所述第四節后側壁與豎直方向的夾角為3°-5°。

進一步的，所述下橫梁的斜坡坡度，即斜面與水平面的夾角為20-35度。所述下橫梁的斜坡較高的一側的厚度中線位于立柱下面x向導軌的中線或中線偏下的位置。

本發明的有益效果為：本發明所述的一種變截面臥式加工中心立柱結構是一種全新的立柱結構，采用變優化目標的分步拓撲優化方法，根據拓撲優化結果，在外形上做適當的改進，內部結構上，把傳統立柱的橫豎向十字筋板去除，將立柱截面分段設計為壁厚不斷變化的形式，提高材料的利用率，使其在靜動態剛度提高的同時，重量減輕，加工難度降低，節約加工成本。

附圖說明

圖1是本發明立柱結構的縱向支撐柱截面圖。

圖2是本發明立柱結構的軸測圖(正面)。

圖3是本發明立柱結構的軸測圖(背面)。

圖4是本發明立柱結構的橫梁截面圖。

圖5是gij630臥式加工中心結構示意圖。

圖6是立柱拓撲優化流程圖。

圖7是立柱力學模型。

圖8是外輪廓拓撲優化結果圖1。

圖9是外輪廓拓撲優化結果圖2。

圖10是內部結構拓撲優化結果圖1。

圖11是內部結構拓撲優化結果圖2。

圖12是中間工況立柱導軌變形曲線圖。

圖13是左極限工況立柱導軌變形曲線。

圖14是右極限工況立柱導軌變形曲線。

圖15是原模型和設計模型一階振型圖。

圖16是原模型和設計模型二階振型圖。

圖17是原模型和設計模型三階振型圖。

圖中：1為上橫梁，2為下橫梁，3為縱向支撐柱，4為前側壁，4-1為第一節前側壁，4-2為第二節前側壁，4-3為第三節前側壁，5為后側壁，5-1為第一節后側壁，5-2為第二節后側壁，5-3為第三節后側壁，5-4為第四節后側壁，6為弧形加強筋，7為溜板，8為主軸箱，9為立柱，10為床身。

具體實施方式

下面結合附圖與具體的實施方式對本發明作進一步詳細描述：

如圖1所示，該發明立柱為大件產品，整體鑄造成型，主要結構包括上橫梁1、下橫梁2和縱向支撐柱3，上橫梁、下橫梁和分別位于左右兩側的縱向支撐柱相互連接組成中空的回字結構，上橫梁的截面呈直角梯形，在上橫梁的一側為弧形加強筋結構，所述縱向支撐柱包括左縱向支撐柱和右縱向支撐柱，左縱向支撐柱和右縱向支撐柱為關于結構垂直中線的鏡像結構，在左縱向支撐柱和右縱向支撐柱分別設置有前側壁4和后側壁5結構，所述前側壁由第一節前側壁4-1、第二節前側壁4-2和第三節前側壁4-3依次連接組成，所述后側壁由第一節后側壁5-1、第二節后側壁5-2、第三節后側壁5-3和第四節后側壁5-4依次連接組成，所述下橫梁為斜坡結構，斜坡較高的一側朝向正面。

所述中心立柱結構的高度為2311.50mm；，所述第一節前側壁、第二節前側壁、第三節前側壁的長度依次為1111.50mm、500mm、700mm。

所述第一節后側壁、第二節后側壁、第三節后側壁、第四節后側壁的長度依次為411.50mm、970mm、250mm、710mm。

基于tosca的臥式加工中心立柱的拓撲優化方法：

1、拓撲優化流程及數學模型

靜剛度和動剛度是衡量立柱性能的重要指標，采用線性加權和法將同時提高靜動剛度的多目標優化轉化為單目標優化。利用有限元軟件abaqus和拓撲優化軟件tosca對gij630臥式加工中心立柱進行分步拓撲優化：第一步拓撲優化，以多工況柔度最小化和低階固有頻率最大化為優化目標，在滿足功能要求和裝配條件下，擴大初始優化模型的設計區域，完成立柱外輪廓優化，數學模型如式1；在外輪廓優化的基礎上，以多工況變形最小和低階頻率最大為優化目標，約束立柱外輪廓，完成內部結構的優化，數學模型為公式2，提出一種全新的立柱變截面設計方案，使立柱的靜動態剛度提高，質量減輕，立柱拓撲優化流程如圖6所示。

其中，φ(x)、ω(x)為目標函數；ωi、ωj為加權系數；ci(x)為第i種工況下結構的柔度；u是節點位移矢量；k是結構剛度矩陣；fj是各階頻率；v(x)是優化后模型體積；v0(x)為優化前模型的體積；δ是體積分數，0＜δ＜1；ui(x)為第i種工況下所選節點的變形；ux、uy、uz為節點x、y、z方向的變形矢量。

2立柱載荷分析

gij630臥式加工中心的結構如圖5所示，主軸箱嵌入溜板中，由絲杠和滑塊導軌副實現y向進給運動；溜板嵌入立柱中，由絲杠牽引，通過起連接作用的導軌滑塊副實現x向運動；立柱安裝在床身上，起支承溜板和主軸箱的作用。由機床部件的裝配關系可知，立柱所受載荷主要來自機床刀具末端的切削力及主軸箱、溜板的重力。

在機床有限元分析中，滑塊導軌結合面的載荷分布對機床局部應力影響較大，但對整體應力分布影響較小。在滿足整機剛度的前提下，為了方便計算，對結合面的載荷分布做適當的簡化處理：(1)受力分析時，忽略滑塊導軌副的摩擦，假設移動方向的載荷全部由滾珠絲杠提供；(2)將每個滑塊區域的載荷等效為沿著坐標軸方向的集中力，受力點為滑塊中點；(3)力單獨作用時，每個結合面平均分配該方向載荷；力矩單獨作用時，等效為結合面上若干對大小相等、方向相反的力偶；每個結合面最終載荷為各個載荷的疊加[10]。選取主軸箱位于溜板中部時進行分析，以x向滑塊與導軌結合面為坐標系x-y平面，四個滑塊的對稱中心為坐標原點，建立如圖7所示的力學模型。

由受力分析，可以求出滑塊上的支反力和支反力矩：

按上述力分析簡化原則，得到每個滑塊上的力為：

式中：fx、fy、fz是滑塊上的支反力；mx、my、mz滑塊上的支反力矩；fx、fy、fz是刀具末端的切削力；g1為主軸箱重力；g2為溜板重力；fqx表示立柱上絲杠的牽引力；fij表示j滑塊處i向的力(i＝x,y,z；j＝1,2,3,4)；a、b、c分別表示刀具末端、主軸箱重心、溜板重心位置；l1、l2分別為滑塊x向、y向的跨距。

3、立柱拓撲優化

3.1拓撲優化前處理

根據gij630臥式加工中心立柱的裝配關系，提取x、y、z三個方向的最大尺寸，將立柱簡化為一個框中框結構的實心質量塊，同時保留導軌，軸承座等關鍵裝配部位。

在abaqus中，設置立柱的材料屬性為楊氏模量145e9pa，泊松比0.27，密度7.2e3kg/m³。根據機床x向行程，選取溜板處于立柱左極限位置、中間位置和右極限位置三種工況進行靜力分析和模態分析，約束立柱底面x、y、z三個方向的移動自由度，采用十節點的四面體單元對立柱進行網格劃分，設置導軌、軸承座和底面為凍結區域，進行有限元分析。

3.2外輪廓拓撲優化

將立柱前處理的有限元分析結果.inp文件導入到tosca軟件中，采用基于敏度的優化算法，以溜板位于立柱左、右極限位置和中間三個位置的多工況加權靜態應變能最小，前三階固有頻率加權最大(權值均為1)為優化目標，以優化后體積與優化前體積的體積比小于等于40％為約束條件，進行拓撲優化，結果如圖8、9所示。。

第一步拓撲優化可以得到立柱外輪廓的最優材料分布結果，從中圖8、9的模型中提取立柱外輪廓的特征：①上橫梁在x方向呈兩邊窄中間寬的“棗核型”；②上橫梁y向為上窄下寬的梯形；③下橫梁中間的封閉矩形結構優化為筋板結構。對立柱的外輪廓進行設計，在設計過程中，考慮到立柱上橫梁x方向兩端在裝配中需要安裝軸承座，所以將上橫梁x方向設計為等寬度，對外輪廓模型進行設計。

3.3內部結構拓撲優化

將外輪廓設計模型作為第二步內部結構拓撲優化的初始模型，在abaqus中對模型進行與外輪廓拓撲優化初始優化模型相同的前處理，凍結區域增加外輪廓表面。為了提高機床的加工質量，應減小導軌的變形，取每種工況下導軌受力點的變形表示導軌的變形。在tosca中，設置目標函數為三種工況下受力點的絕對位移加權最小和前三階頻率加權最大為目標函數，體積約束為小于等于35％，同時添加凍結和對稱幾何約束，進行第二步拓撲優化，其拓撲優化結果的截面圖如圖10、11所示。

對拓撲優化結果進行分析，可知與傳統的設計相比較，優化模型具有兩個特點：①材料集中分布在外輪廓上；②外輪廓材料分布不均勻，壁厚不斷變化。根據優化結果，對模型進行內部結構設計。在設計中，外形尺寸保持第一次優化設計結果不變，主要考慮內部壁厚的變化規律，得到最終的優化設計模型。

4優化結果分析

為了驗證最終的優化設計模型是否滿足靜動態性能和輕量化的設計要求，需要對最終的優化設計模型進行有限元分析，并與原模型進行對比。

4.1靜剛度校核

立柱靜剛度指的是立柱抵抗變形的能力，評價指標為力與該力引起的變形的比值。在載荷相同的情況下，可以用變形來表示剛度的變化，圖12、13、14為極限載荷下三種工況立柱導軌的變形曲線，對每種工況下立柱導軌進行xyz三個方向進行校核，選取最大位移代表該種情況下立柱的變形，與原模型進行對比，將變形的減小量轉化為靜剛度的提高量，結果如表1所示。

表1.立柱變形對比表

從圖9中可以看出，新設計模型的導軌變形小于原模型，立柱剛度明顯提高；從表1中可以看出，立柱在三個方向的靜剛度均有所提高，x向和z向剛度提高較明顯，y向剛度提高量較少。由于立柱z向靜剛度是相對薄弱的環節，結果顯示z向剛度提高幅度較明顯，驗證了該拓撲優化方法的有效性和新設計結構的合理性。

4.2動剛度校核

對立柱進行分析，不僅要考慮其強度和剛度方面的靜態性能，還要分析其彎曲和扭轉的動態特性，所以要對立柱進行模態分析。由于低階模態對機床加工質量的影響較大，所以僅對立柱的前三階模態進行分析。立柱原模型與優化模型前三階振型圖如圖15、16、17所示，頻率比較結果如表2所示。

表2.立柱頻率對比表

從振型圖中可以看出，立柱一階振型為沿z軸方向的前后俯仰，二階振型為沿x軸的左右擺動，三階振型為沿x軸的扭轉。

從表2中可以看出，優化后立柱的前三階頻率均得到提高，其中一階固有頻率提高的幅值最大，為40.77％，三階頻率提高也較明顯，提高幅度最小的是二階頻率，僅提高了5.15％。經驗證，優化后立柱的動態性能符合設計要求。

4.3質量校核

經計算，原立柱模型的質量為4.62t，設計立柱模型的質量為4.14t，減輕了10.39％。因此，立柱新設計模型在靜動態性能提高的前提下，實現輕量化設計。

上面結合附圖對本發明的基本設計理念進行了描述，但是本發明并不局限于上述的具體實施方式，任何熟悉本專業的技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明宗旨和權利要求所保護的范圍內，還可以利用上述內容做出些許改動，但凡根據本發明的技術實質所做的任何改動，仍屬于本發明的保護范圍之內。