多线切割机主机架结构优化设计.pdf

Sep.2023JOURNALOF MACHINEDESIGN2023年9 月No.9Vol.40第40 卷第9 期机计设械多线切割机主机架结构优化设计董志奎，殷帅，常龙，邢珂，赵延恒，戚向东（燕山大学机械工程学院，河北秦皇岛066004)摘要：多线切割机是目前切割硬脆材料的主流设备，其主机架作为主要受载部件对整机平稳运行起关键作用，其设计合理性对切割材料的表面质量有极大影响。文中采用某厂多线切割机主机架尺寸参数建立三维模型，通过有限元软件进行动静特性分析，并进行拓扑优化，为肋板布置提供参考，在此基础上，建立不同样式的肋板模型，并对其进行多目标尺寸优化，改善主机架结构以满足刚度及铸件厚度差要求，减少因结构设计不合理而产生的缩松缩孔缺陷，最终得到3种情况下的最优设计，为工业生产提供参考。关键词：多线切割机；主机框架；拓扑优化；多目标优化；有限元分析中图分类号：TH122文献标识码：A文章编号：1 0 0 1-2 3 54(2 0 2 3)0 9-0 0 0 8-0 7Structure optimization of multi-wire cutting machine s main frameDONG Zhikui,YIN Shuai,CHANG Long,XING Ke,ZHAO Yanheng,QI Xiangdong(School of Mechanical Engineering,Yanshan University,Qinhuangdao 066004)Abstract:The multi-wire cutting machine is the mainstream equipment for cutting hard and brittle materials.Its main frameas the major loading part plays a key role in smooth operation of the whole machine.Its design rationality has great influence onsurface quality of cutting materials.In this article,the three-dimensional model is set up by means of the size parameters of themulti-linear cutting machine s main frame in a factory.The dynamic and static characteristics are explored with the help of the fi-nite-element software,and topology optimization is carried out to provide reference for the layout of rib plate.On this basis,themodels of different rib plates are established,and then multi-objective dimension optimization is carried out to improve the mainframe structure as well as meet the requirements of stiffness and casting thickness difference.As a result,the defects of shrinkagecaused by unreasonable structure design have decreased,and the optimal design in three cases is worked out,which provides ref-erence for industrial production.Key words:multi-wire cutting machine;main frame;topology optimization;multi-objective optimization;finite-elementanalysis硬脆材料如硅、蓝宝石、碳化硅等广泛应用于纯电动汽车、太阳能光伏、风力发电及航空航天等领域。目前，这些材料的切割方式主要是用金刚石线切割完成，由于单线切割加工效率较低，在实际生产中则主要是利用多线切割的加工方式 2。采用金刚石线进行切割的多线切割机在工作状态时运行转*收稿日期：2 0 2 1-0 7-0 5；修订日期：2 0 2 3-0 3-0 6基金项目：国家自然科学基金资助项目（52 0 7 547 3）速较快，因此，对设备的结构刚度支撑关键部位的受力提出了更高要求；国内生产多线切割设备的企业较多，生产企业间的竞争压力越来越大，为了降低设备的生产成本，提升产品竞争力尤为重要。因此，对机床进行结构的优化设计，使材料在机床结构空间内分布更加合理和有效利用是设计者追求的9董志奎，等：多线切割机主机架结构优化设计2023年9 月目标 3 O刘建 4对多线切割机进行有限元建模及静力学分析，验证进给系统设计的合理性，从结构设计人手，对进给系统的整体结构进行优化，得出最优设计方案。牛兴坤 5根据金刚石线切割石材的优点，设计了新型的天然石材多线液压切割机床，并用有限元软件对整机进行动态特性研究。张强 6 对固结磨料切割机的导轮进行轻量化设计，极大地提高了其使用寿命。王猛 7 针对切割机动态性能和横梁轻量化设计进行研究，通过运用有限元分析软件，对切割机的静动态特性进行了研究分析，并对横梁进行轻量化设计，不仅减小了自身质量，而且提高了切割机的静动态性能。冯砚博等 8 对某型切割机整机振动性能进行分析，研究机械结构的合理程度。首先建立切割机三维模型及有限元模型，并采用软件得到模型的各阶固有频率，然后通过ADAMS软件分析结构在运行过程中的受迫振动，得到切割机床关键部件的位移、速度和加速度的频率响应曲线，最终与模态进行对比，找出薄弱环节，为改进提供参数支撑。朱盾等 9 对多线切割机主轴支撑三脚架进行优化，在减小三脚架自身质量的同时，提高了动静态性能。Kolar等 1 0 1 将拓扑优化应用于机床立柱的设计，发现内部肋板结构刚度的灵敏度较低，采用焊接钢结构形成内部的轻量化构型设计。Changwonl 采用遗传算法对机床结构进行拓扑优化，以刚度和固有频率作为设计目标，对机床床身进行了优化。文中针对某型号多线切割机进行有限元计算，并根据机架厚度差要求及机架铸造效果，对主机架可调整区域进行拓扑优化，重建拓扑模型，根据敏感性筛选出影响因子较大的尺寸，利用参数化对筛选出的尺寸进行计算，最后通过遗传算法计算出满足结构刚度及铸造要求的优化模型主机架初始模型动静特性分析依照某型号多线切割机尺寸参数，对多线切割机主机架装配体进行模型简化，如图1 所示。保留其主体，去除孔洞、圆角等细小结构，采用质量点替代部分零部件；使用模块化处理对部件进行网格划分，根据实际情况进行接触设置。图1主机架简化模型对主机架背面装配的电机及其电机架、升降台及主轴部件采用质量点替换，找到其质心位置，确定其质量大小，并且在主机架简化模型上切分出相应的装配端面，以设置供质量点时使用，其中，升降台附带切削物料的总质量为7 1 1 kg，距离支撑端面为2 8 5mm;3个主轴电机的质量均为2 3 0 kg，质心距端面为40 0 mm，单根主轴的质量为1 6 3 kg；主轴上每根金刚石线的张力为3 5N，3 根主轴缠绕金刚石线为6 0 0 圈。主机架的材质为QT450-10球墨铸铁，其弹性模量为1.9 1 0 MPa，泊松比为0.2 7，密度为7 3 0 0 kg/m。对主机架采用高级节点的混合区域网格划分，映射类型为六面体，自由网格类型为六面体核心。根据简化结果，选择网格大小为3 0 mm，对该多线切割机进行有限元分析，图2 和图3 所示分别为主机架应力及位移云图，图中可确定固定端及游动端的端面为主要受载区域，最大总体变形量为0.0 2 54mm，最大等效应力为2 9.0 7 MPa,且主机架该处为铸造后的厚端面，具有优化空间。Equivalent StressUnit:MPa29.07Max孔1 一22.5619.3016.049.526.232.00孔3孔21.000.800.202.49e-5 Min图2主机架等效应力分布云图10机计设械第40 卷第9 期TotalDeformationUnit:mm0.0254Max0.02360.02000.01820.01450.01270.00900.00720.00540.00183.28e-9Min图3主机架总体位移分布云图对主机架自由模态进行计算，获取1 阶模态频率为1 58.48 Hz，图4为1 阶模态振型云图。主机架的1阶频率远高于电机50 Hz的频率，因此，其发生共振的可能性不大。TotalDeformationUnit:mmFrency:158.48Hz3.85Max3.422.572.141.711.280.850.431.55e-8Min图4主机架1 阶模态振型2主机架肋板模型构建2.1拓扑优化主机架主要受到主轴槽轮上金刚石线张力作用，导致两支撑端面产生变形，所以选择主机架固定端及游动端的端面为主要优化区域，拟在厚重端面进行肋板布置，此处肋板作用主要以拉压替代弯曲变形，因此，单独取出端面简化为2 D平面，直接施加各主轴槽轮上金刚石线张力的合力进行拓扑，探究肋板布置的方法保留主要边框及电机的连接端面，对2 D模型进行分割，区分开需要拓扑的区域，如图5a为固定端2 D拓扑模型示意图，图5b为游动端2 D拓扑模型示意图。边框使用RemoteDisplacement约束所有自由度，对3个主轴孔施加相应的合力，采用分步载荷，采用变密度法进行拓扑优化，其最大约束应力为9 0 MPa，以拓扑的保留质量分数分别为3 0%，2 0%，1 4%和1 0%进行计算，输出拓扑结果图形，根据图形逐步构建肋板模型。连接端面边框拓扑区域边框拓扑区域（a）固定端模型（b）游动端模型图52D拓扑模型示意图固定端分步施加载荷：先轴孔1，再轴孔2，最后轴孔3，计算获得如图6 所示固定端3 分步拓扑结果图6固定端3 分步拓扑结果游动端分步施加载荷：先轴孔1,再轴孔2,最后轴孔3，计算获得如图7 所示的游动端3 分步拓扑结果图7游动端3 分步拓扑结果11董志奎，等多线切割机主机架结构优化设计2023年9 月2.2模型构建参考上述拓扑结果，可发现拓扑后的保留成分主要连接3 主轴孔及边框，仿照保留成分的走向构建斜肋，逐步增加辅助肋板。图8 a所示为斜肋模型固定端，图中使用线条替代肋板的位置；根据机械设计手册 1 2】,同等规格的单斜肋抗弯性能低于直肋及双斜肋的,因此在单斜肋的基础上分别修改为直肋及双斜肋模型，图8 b示出了双斜肋模型固定端，图8 c所示为直肋模型固定端(a）斜肋模型（b）双斜肋模型（c）直肋模型图8固定端肋板模型构建对游动端使用同样的构建方法，图9 a所示为斜肋模型游动端模型，图9 b所示为双斜肋模型游动端模型，图9 c所示为直肋模型游动端模型（a）斜肋模型（b）双斜肋模型（c）直肋模型图9游动端肋板模型构建对应力较小的部位进行简单的肋板设计，构建如图1 0 所示主机架斜肋模型、图1 1 所示主机架双斜肋模型及图1 2 所示主机架直肋模型图1 0主机架斜肋模型OiO图1 1主机架双斜肋模型图1 2主机架直肋模型2.3模型对比对上述3 种肋板模型进行有限元计算，并与无肋板模型进行对比，分析结果如表1 所示。表1肋板模型有限元计算结果对比肋板最大等效最大位固定端孔1固定端孔2固定端孔3游动端孔1游动端孔2游动端孔31阶固有类型应力/MPa移/mm最大位移/mm最大位移/mm最大位移/mm最大位移/mm最大位移/mm 最大位移/mm频率/Hz无29.070.02540.00980.01010.009.40.02130.02540.0205158.48斜肋26.730.021 80.006 30.005 50.005 70.021 80.021 40.018 4186.87双斜肋25.990.021.50.006 20.00500.00510.021 50.020 10.017 3185.61直肋26.710.021 80.006 20.00520.00570.021 80.021 40.018 3186.48斜肋与直肋的计算结果几乎一致，双斜肋结构的刚度更高，但由于斜肋开模成本较高且尺寸不易调节的原因，文中选择直肋进行后续的尺寸优化。2.4参数化处理根据肋板布置原则和拓扑优化结果，确定固定肋板，并对直肋模型的可调整肋板厚度及肋板位置尺寸进行参数化处理，图1 3 为直肋模型参数化尺寸示意12第40 卷第9 期机计设械图，其中无中心线的肋板为固定肋板O8QFBAA图1 3主机架直肋模型加肋时，在综合考虑强度、刚度及铸造工艺的因素下，肋板设计的准则如下式：h5hoho0.60.8t式中：h肋板高度,mm;ho壁厚，mm;一t肋板厚度,mm。肋板过薄，则抗弯性能较差；肋板过厚，则抗弯性能提高不明显且会导致质量过大，尺寸范围如表2 所示,其中,肋厚系数XS为0.6 1.0表2直肋模型参数化尺寸范围mm尺寸代号数值说明尺寸代号数值说明AT30 50底厚BXSBT肋厚Al.XSXAT肋厚B100330A250450B2100280A2250320B380550A3400500B4200310A4180350B;30270A，180350B630270A62034B7220380A7180400B:420550C200400D,380520C2150250D,100 300BT3050底厚3尺寸优化3.1敏感性筛选由于变量尺寸较多，需要筛选出对输出量敏感性较大的尺寸，根据尺寸区间设定试验点范围，采用Spearman进行敏感性筛选,结果中相关性影响因子一般在0 1 之间，其数值越接近于1,对优化目标影响越大。当试验点为2 2 0 个时满足收敛条件，筛选出相关性大于0.5的尺寸，得到如表3 所示的筛选结果。最终确定1 2 个主要尺寸变量，进行后续的尺寸优化步骤。表3直肋模型敏感性筛选结果尺寸代号相关性最大相关对象AT1.00M（最大变形量）B30.99MD-DB60.88M,-EB50.83MD-DXS0.73Mp-EB70.71MD-DA60.68MD-DB0.59MD-FB40.57M,-DA20.52M,-DAs0.50Mp-1B20.50Mp-D注：Mp-D,Mp-E,Mp-F,Mp-1分别对应各孔最大变形量。3.2响应面构建使用OSF的试验点设计方法，自定义1 2 0 个试验点进行计算，后采取Kriging进行响应面构建，随机生成1 0 个验证点后采取响应面的自动细化，设定最大细化相对误差为1 0%，最大细化点数为1 50 个后自动计算，最终在细化点为1 1 9 个时达到细化要求的误差，即响应面构建完成。如图1 4所示为响应面相对误差收敛图，其中，M，为机架固有频率，Ma为机架质量。40MDM-DMb-EMo-FMo-GMb-H30Mo-IMM基准线ass20100020406080100120细化点个数/个图1 4响应面相对误差收敛图132023年9 月董志奎，线切割机主机架结构优化设计3.3目标优化响应面构建完成后，进行目标优化，设定输出变量的约束条件，分为不变质量最大刚度、最小质量最大刚度和最小质量不变刚度3 种情况，其中，不变质量及不变刚度是以原模型为参考对象，使用多目标遗传算法MOGA（M u l t i-O b j e c t i v e G e n e t i c A l g o r i t h m）的优化方法，然后进行候选点的验证，求得如表4所示的目标优化结果。表4目标优化结果不变质量最大刚度最小质量最大刚度最小质量不变刚度拟合计算相对误差/%拟合计算相对误差/%拟合计算相对误差/%Mp/mm0.02030.021 03.920.021 50.022.02.270.02530.02482.32Mp-D/mm0.006 30.006 21.290.006 40.006.31.270.005 90.006 01.33M,-E/mm0.004 80.00517.080.005 00.005.00.200.008 10.008 10.07M,-F/mm0.004 60.004.72.170.005 00.005 01.390.009 60.009 60.07M,-G/mm0.02080.021 01.200.021 80.02201.090.023 80.023.31.99M,-H/mm0.019 40.02002.920.02070.021 43.760.024 40.02353.90M,-/mm0.01620.016 62.420.017 60.018.34.020.021 10.020 04.95M,/Hz184.93184.940.00189.57189.580.01191.43191.350.04Mas/kg2.6162.6170.022.3842.3840.01222522250.00响应面的拟合结果与计算结果绝对误差在合理范围内，说明目标优化结果较为准确，对尺寸进行偶数就近原则进行圆整，并进行有限元计算。3.4优化结果对比选取直肋模型进行优化得到3 种优化结果，分别为：不变质量最大刚度（方案1）、最小质量最大刚度（方案2）和最小质量不变刚度（方案3）。将3 种优化结果的圆整尺寸输人后重建模型，进行计算，与原模型计算结果对比,优化结果对比如表5所示。3 种优化方案与原模型相比,主机架刚度均有所提高，且质量减小；方案2 与方案1 相比，二者刚度相近，但方案2 的质量较小；方案2与方案3 相比,二者的质量相近,但方案2 的刚度更大。表5优化结果对比优化最大等效最大位固定端孔1固定端孔2固定端孔3 游动端孔1游动端孔2游动端孔31阶固有质量/kg方案应力/MPa移/mm最大位移/mm量最大位移/mm最大位移/mm最大位移/mm最大位移/mm最大位移/mm频率/Hz原模型29.070.025 40.00980.01010.00940.02130.02540.0205158.482616方案126.570.021 70.006 10.005 00.004 80.021 70.021 40.0179185.012611方案226.160.02220.006 30.005 00.00510.02220.021 70.018 5189.662381方案326.510.02480.006 00.00810.009 60.023 40.02350.0202191.36222.44结论（1)针对主机架前后端面尺寸较厚造成铸造缺陷的问题，提出了以局部结构拓扑优化为参考的肋板布置设计方法，通过采用不同肋板形式的抗弯性能进行肋板模型设计，以及相同参数不同样式的肋板模型的对比，获取最终的肋板模型，为今后肋板布置提供一种科学的方法。（2）对最终的肋板模型进行参数化处理并完成多目标尺寸优化，求解出3 种情况下的最优解，为工业生产提供参考，优化后的机架模型可以满足刚度及铸件厚度差要求，减少因结构设计不合理而产生的缩松缩孔缺陷。参考文献1贺东葛，王家鹏，刘国敬碳化硅半导体材料应用及发14机第40 卷第9 期计设械展前景 J电子工业专用设备，2 0 1 8(3）：1-3.2杨沁，黄辉，郑生龙多线摇摆往复式线锯切割加工运动的理论及试验研究J机械工程学报，2 0 2 0，56(11):219-228.3李天箭，丁晓红，李郝林机床结构轻量化设计研究进展 J机械工程学报，2 0 2 0，56（2 1）：1 8 6-1 9 8.4刘建.多线切割机主系统性能分析与研究 D武汉：武汉理工大学，2 0 1 8.5牛兴坤。天然石材多线液压切割机床的设计与研究 D.沈阳：沈阳理工大学，2 0 1 2.6张强固结磨料多线切割设备的设计与研究 D苏州：苏州大学，2 0 1 9.7王猛.HLH-2040激光切割机结构分析与优化设计 D.南京：东南大学，2 0 1 5.8冯砚博，孙涛。多线切割机床动力学分析 J振动与冲击,2 0 1 1,3 0(7)：1 6 9-1 7 2.9朱盾，高志。多线切割机主轴支承三角架的优化设计J.机械设计，2 0 2 0，3 7(1 1)：53-58.10 Kolar P,Smolik J,Sulitka M,et al.An integrated approachto the development of machine tool sstryctural parts,MA-TAR2012-12082,MM science journal C/9th Internation-al Conference on Machine Tools,Automation,Technologyand Robtics,12-14 September,Prague,Czech Republic,2012.11 Changwon.A genetic algorithm based multi-step design opti-mization of a machine structure for minimum weight and com-pliance C/Proceedings of the SICE Annual Conference,2005:476-481.1 2 成大先机械设计手册M北京：化学工业出版社，2004.作者简介：董志奎（1 9 8 1 一），男，副教授，博士生导师，工学博士，研究方向：先进智能装备的数字化设计及生产工艺数学模型开发。E-mail:戚向东（通信作者）（1 9 7 0 一），男，教授，硕土研究生导师，工学博士，研究方向：先进智能装备的数字化设计及生产工艺数学模型开发。E-mail：q x d y s u.e d u.c n