卧式加工中心床身结构特性分析及轻量化设计 *

床身是机床的重要组成部分，机床的众多重要部件都是以床身为载体进行安装的。因而，作为基础件的床身必须具有高刚度和良好的抗振性。在传统的设计中，床身在满足设计要求时，质量往往是偏大的，这无疑会造成材料的浪费。因此，如何在尽量不改变床身原有的静动态特性的基础上，合理地优化床身的内部尺寸，实现床身的轻量化，是值得研究的问题。

对于床身的优化设计，研究人员进行了大量的研究。［1］运用有限元分析方法，在床身结构动态特性灵敏度分析的基础上，对其结构与动态性能进行优化，在保证良好动态性能的同时，减轻了床身质量。［2］根据磨床床身结构分析的结果，提出改进方法，并对改进后的床身进行拓扑优化，实现了高刚度、轻质量的床身优化设计。陈叶林等［3］基于尺寸优化及拓扑优化技术对机床床身内部筋板的结构、布局及垫铁位置进行优化，减小了床身的质量，提高了床身的刚度。［4］以筋板和底部出砂孔的尺寸为设计参数，以床身质量、1阶固有频率为优化目标对床身进行了优化。优化后，床身的最大振幅值大幅下降。

在对床身进行优化时，多数研究人员以最大变形、最大应力、第1阶固有频率为约束条件，但这并不能保证优化后1阶固有频率之后的其他阶固有频率值均高于优化前的值，因此，文中以最大变形、最大应力和前4阶固有频率保持不变为约束条件，以床身壁厚和筋板纵向、横向厚度为设计参数，床身质量最小为优化目标，建立数学模型求解计算，得到优化后的壁厚与筋板尺寸。最后，对优化后的模型进行有限元分析，将优化前后床身特性及质量进行对比。

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结论通过对原床身结构的有限元分析，去除了对床身结构特性影响不大、与床身底面平行的一层筋板结构。在不改变床身外部尺寸的基础上，以床身的纵向、横向筋板厚度及床身壁厚为试验因素，利用正交试验法建立了响应面模型，对床身进行轻量化设计。在床身结构特性基本不变的情况下，床身质量得以减轻，从而使原床身尺寸设计更加合理，节省了材料。同时，也为机床其他部位的优化提供了思路。

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