蜂窝材料数控超声波机床结构优化设计

【摘要】由于NOMEX蜂窝材料所具有的特性，使得其在航空、航天领域应用越来越广泛。但是在蜂窝材料制成之后，如何进行高效率的切削加工一直困扰着各大飞机制造商。目前，国内企业仍主要采用传统金属切削方法来加工蜂窝材料，该方法的缺点有：加工设备体积大、成本高，加工出的工件表面质量差，加工后粉尘多，环保性不好。为此，一些国有大型企业引进了由GFM公司生产的US-50型六轴超声波切割机床。该机床的核心是超声波切割技术，在国外蜂窝材料加工中获得了广泛的应用。超声切割技术的应用已有20多年的历史，超声波切割技术在蜂窝材料加工中的优点有：切削力小，加工表面质量高、加工效率高、切屑连续完整、无粉尘等。欧美的各大飞机制造厂和航空复合材料的研发、生产企业都已广泛采用超声波切割设备应用于生产。然而在国内，这一技术仍处于初期应用阶段。为了实现超声波切割技术在传统加工设备中的应用，本文对五轴加工中心引入超声波切割技术，利用超声波切割蜂窝材料时切削力要比传统加工小这一特性，对五轴加工中心进行轻量化设计。本文的主要工作及创新点主要如下：第一章介绍了NOMEX蜂窝材料的发展及其特点，由于其结构的特殊性，使得蜂窝材料与普通复合材料的加工有所不同。本文列举了几种传统蜂窝材料加工方法，并详细介绍了国外加工蜂窝材料的主流技术——超声波切割技术，分析了超声波切割技术的优点。第二章介绍了超声波切割机床的总体布局，选择由江苏新瑞重工科技有限公司生产的机床XH2725/5X龙门加工中心为优化目标；分析了超声波切割主轴的结构以及摆动机构，实现A/C双摆角摆动，并对超声波切割声学系统进行了理论设计；设计了一种超声波切割刀恒扭矩装配装置，该装置能够实现超声波圆形刀恒扭矩换刀。第三章介绍了龙门加工中心的相关技术数据，对整机建立三维模型以及有限元模型；对普通切削蜂窝材料切削力的理论值进行了计算，并用该数值对加工中心整机进行静力分析，计算静刚度；对加工中心进行模态分析、谐响应分析，为后续的优化提供依据。第四章分别对五轴加工中心的主轴箱、滑枕、横梁、立柱等关键零部件进行静力分析和动态分析。从静力分析中找出结构位移较大的点，利用应力分布云图确定应力集中的位置；从动态分析所得振型图分析零部件的变形，为后续的优化提供依据。第五章分别对主轴箱、横梁和立柱进行结构优化。主轴箱效仿动物骨骼内部结构的设计、横梁依据房屋拱形结构设计、利用圆的曲率支撑来提高立柱的支撑性能。此外，横梁和立柱采用灵敏度分析方法，确定筋板结构灵敏因子，优化灵敏参数，达到提高机床动刚度、减少机床重量的目的。对优化后的零部件进行整机装配，并对优化后的超声波切割机床整机进行静、动态分析，与优化前机床进行对比，实现超声波切割机床轻量化设计。
【作者】肖健雄；
【导师】张云电；
【作者基本信息】杭州电子科技大学，机械制造及其自动化，2014，硕士
【关键词】NOMEX蜂窝材料；超声波切割；有限元分析；结构优化；灵敏度；

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