TBT-ML500深孔钻床主轴箱的结构优化

武小惟^1,2，薄瑞峰^1,2，任 鑫^1,2，沈兴全^1,2

(1.中北大学机械工程学院，山西 太原 030051)

(2.山西省深孔加工工程技术研究中心，山西 太原 030051)

作者简介：武小惟（1992—），男，硕士研究生，主要研究方向为结构优化与计算智能技术，506178209@qq.com.

摘要：以TBT-ML500深孔钻床的主轴箱为研究对象，首先采用SolidWorks建立主轴箱的三维模型，然后将其与ANSYS Workbench进行关联，以避免数据在传输过程中丢失，再在Workbench中对主轴箱进行静动态分析。初选主轴箱的8个尺寸参数作为设计变量，并对其进行参数相关性分析，选出对主轴箱质量影响最大的3个参数，对主轴箱进行结构轻量化设计。结果表明：在满足主轴箱静动态特性的前提下，质量减轻了9.77%，实现了轻量化设计。

关键词：主轴箱；静力分析；模态分析；轻量化

中图分类号：TH122   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2021)05-0029-04

现代科学技术的日益发展与进步给机械加工制造行业带来了源源不断的技术支持和发展导向。在所有的机械加工制造行业中，机床制造业可谓是一项及其重要的机械加工产业链，因为各种产品零部件的加工都离不开机床的加工。作为现代社会发展的重要产业，机床制造业也逐渐朝着高精度、高效率、高环保以及全自动化的方向不断迈进。传统机械加工设计多以保守设计为主，这样会造成材料浪费，加工难度大，随之而来的轻量化设计逐渐成为机械加工设计的新方向^［1-2］。对主轴箱进行轻量化设计有助于提升机床的工作效率^［3］。此前，国内外学者在该领域已经取得了一些成就，他们利用有限元结合优化设计的方法实现了对加工中心立柱和车削中心床鞍的轻量化设计^［4-7］。周孜亮等^［8］利用ANSYS Workbench中的有限元分析和优化模块对箱体进行了轻量化设计。牛颖等^［9］在对主轴箱进行静动态分析的基础上进行多目标尺寸优化设计，优化后主轴箱质量降低，刚度提高。

本文从轻量化的角度出发，在静力学和动力学分析的基础上建立了TBT-ML500深孔钻床主轴箱的优化模型，得到了最优的尺寸。

1 有限元模型的建立

1.1 三维模型的建立

首先在三维建模软件SolidWorks中创建主轴箱的三维几何模型，在建立几何模型时将倒角以及沉头孔等影响有限元分析计算的模型特征简化，从而保证后面建立有限元模型时网格划分的质量和有限元计算时的精度，避免出现应力集中现象，使分析结果更加接近于实际的工作情况。主轴箱三维模型如图1所示。