車削加工中心底座的加強筋構造體的製作方法

2023-05-21 08:16:56

專利名稱：車削加工中心底座的加強筋構造體的製作方法
技術領域：
本發明涉及工具機底座，更具體地講，涉及車削加工中心的底座加強筋(Rib)的構造。
背景技術：
工具機尤其車削加工中心的底座通過鑄造成型來製作，如圖1所示，在底座10上部組裝有卡緊工件的主軸機架20、用於利用刀具加工工件的轉塔刀架40和刀具臺50、以及用於按各軸(X、Y、Z)輸送轉塔刀架40和刀具臺50的輸送系統或輸送裝置30。在通常的加工中心的情況下，由於是對稱構造因而通過實時補償可控制因外部溫度變化而引起的鑄件的熱位移，但如圖2a所示，就車削加工中心而言，由於底座10的形狀為非對稱構造，尤其輸送裝置30與主軸機架20的位置為非對稱構造，因而不僅難以實時補償，而且需要確保在最大切削力的作用方向的靜剛度(Static Stiffness)。而且，在底座10內部存在加強筋(Rib)，而通常的底座加強筋形狀設計成方形盒且設計成根據底座上部組裝體的重量調整加強筋的間距。如圖2b所示，由於車削加工中心的非對稱構造，因外部溫度變化而引起的熱變形呈線性和非線性模式混合的形態，且非線性變形使得車削加工中心熱位移難以控制。而且，在考慮了最大切削力條件的載荷條件下，靜剛度(Static Stiffness)特性也不理想。圖3a和圖3b圖示了現有車削加工中心底座和底座內部的加強筋的形狀。現有車削加工中心底座10的形狀未考慮外部溫度變化的影響，僅考慮了在最大切削力條件下的靜剛度，因而如圖3a所示，現有車削加工中心的底座10具有上部底座11和下部底座12的上下部二級構造，如圖3b所示，具有底座10內部加強筋單元11-1(12-1)、11-2 (12-2)、11-3 (12-3)、11-4 (12-4)的間距為 1:1:1:1 的等間距形狀。但在現有車削加工中心底座構造中，根據試驗條件在工件和刀具端點的相對熱位移量呈現相當大的值(例如:20 30 μ m)，而在高速、高精密加工條件下呈現更大的熱變形量。旨在減少工具機底座的溫度梯度或由此而引起的熱位移的方案之一就是如使用熱特性優良的鑄造材料等來改進工具機底座的材質。但這樣一來，存在不僅費用方面的負擔較大，而且僅憑這種對策就無法根本上大幅度降低因熱環境的變化而引起的局部溫度梯度的產生所導致的熱位移的問題。

發明內容
技術課題本發明是為了解決這種現有技術的問題而研究出的，本發明的目的在於研究出使車削加工中心底座各部位的溫度響應速度均勻化而減少局部溫度梯度的產生從而能夠提高加工精確度的車削加工中心的底座形狀。技術上解決方法
為了達到上述的目的,本發明應用拓撲最優化(Topology Optimization)技法來提供減少因外部溫度變化而引起的車削加工中心的熱變形並確保最大切削力條件下的靜剛度而能夠減少在刀具和工件端點的相對位移的底座加強筋形狀，從而改進加工質量。具體來講，本發明是組裝有卡緊工件的主軸機架20、用於利用刀具加工工件的轉塔刀架40和刀具臺50、以及用於輸送上述轉塔刀架40和刀具臺50的輸送裝置30的車削加工中心的底座10，上述底座10包括由多個加強筋單元13-1、13-2、13-3、13-4構成的加強筋13。而且其特徵是，上述加強筋單元包括位於組裝上述主軸機架20的底座10的下部的第一加強筋單元13-1和位於組裝上述輸送裝置30的上述底座10的下部的第二加強筋單元13-2，並構成為上述第一加強筋單元13-1的間距α小於上述第二加強筋單元13_2的間距β。通過拓撲最優化技法最優化結果，第一加強筋單元13-1的間距的相對比率α為
0.5〈 α <0.6，且第二加強筋單元13-2的間距的相對比率β為1.37< β〈1.55，此時工件半徑方向(X軸)靜剛度為極大化(提高25%)，且熱變形為最小化(減少10%)。另一方面，以左右對稱形狀製作構成底座10的加強筋單元13-1、13-2、13-3、13-4為宜。S卩、構成為上述加強筋單元進一步包括與上述第二加強筋單元13-2相鄰而配置的第二加強筋單兀13-3和第四加強筋單兀13-4,構成為第二加強筋單兀13-3的間距與第二加強筋單元13-2的間距β相同，並構成為上述第四加強筋單元13-1的間距與上述第一加強筋單元13-1的間距α相同。而且其特徵是，上述加強筋13由一體化的單一構造構成。發明效果根據本發明，利用拓撲最優化(Topology Optimization)技法調節加強筋單元中位於組裝主軸機架20的底座10的下部的第一加強筋單元13-1的間距的相對比率α和位於組裝輸送裝置30的底座10的下部的第二加強筋單元13-2的間距的相對比率β而改進熱阻較大的部分的溫度響應速度，而整體上均勻化底座各部位的溫度響應速度從而能夠防止局部溫度梯度的產生，由此能夠減少熱位移而提高加工精確度。尤其，在使第一加強筋單元13-1的間距的相對比率α為0.5〈 α〈0.6，且使第二加強筋單元13-2的間距的相對比率β為1.37〈β〈1.55的情況下，工件半徑方向(X軸)靜剛度為極大化(提高25%)，且熱變形為最小化(減少10%)。


圖1是車削加工中心的鑄件組裝圖。圖2a是用於說明車削加工中心底座的非對稱構造的圖。圖2b是用於說明車削加工中心底座的不均勻溫度分布的圖。圖3a和圖3b是圖示了根據現有技術的車削加工中心底座的構造的圖。圖4a和圖4b是用於說明根據本發明的拓撲最優化適用原理和設計區域的圖。圖5a和圖5b是表示了在所考慮的外部環境溫度和最大切削力條件下定義的設計區域內的拓撲最優化過程的圖。
圖6a和圖6b是圖示了適用拓撲最優化而設計的本發明的車削加工中心底座構造的圖。圖7a和圖7b是比較並圖示了根據現有技術和本發明的車削加工中心底座的各軸方向熱位移的圖。符號說明10—底座，11—上部底座，12—下部底座，11-1 11-4(12-1 12-4)—加強筋單兀，13—加強筋，13-1 13-4—第一至第四加強筋單兀，20—主軸機架，30—輸送系統(輸送裝置)，40—轉塔刀架，50—刀具臺，α—第一加強筋單元的間距的相對比率，β —第二加強筋單元的間距的相對比率。
具體實施例方式下面參照附圖詳細說明本發明的實施例。根據本發明，為了減少因車削加工中心的外部溫度變化而引起的熱變形並為了進行高速、高精密加工而改進在最大切削力條件下的靜剛度，而通過拓撲最優化(TopologyOptimization)要導出在最大切削力所作用的方向確保足夠的剛度且使因外部環境溫度變化而引起的在刀具和工件端點的相對熱位移最小化的最優底座加強筋形狀。圖4a和圖4b是用於說明根據本發明的拓撲最優化適用原理和設計區域的圖。如圖4a和圖4b所示，除了設置於底座的鑄件(主軸機架、輸送裝置、轉塔刀架、刀具臺等)的設置空間(C、D)之外對刀具的端點(B)和工件的端點(A)中的相對位移δ進行控制而使δ最小化的底座內部空間的剩餘區域被定義為設計空間(design space)。圖5a和圖5b表示了在所考慮的外部環境溫度和最大切削力條件下定義的設計區域內的拓撲最優化過程。如圖所示，構成底座10內部加強筋13的第一加強筋單元13-1、第二加強筋單元13-2、第三加強筋單元13-3、以及第四加強筋單元13-4的相對間距通過拓撲最優化過程而被最優設計。圖6a和圖6b圖示了通過圖5a和圖5b的拓撲最優化過程而導出的底座10和其內部的加強筋13形狀。如圖6a所示，根據本發明的底座10的加強筋13構造不同於上下部二級構造的現有技術(參照圖3a)，其特徵是做成一體化的單一構造。而且，如圖6b所示，將構成加強筋13的第一至第四加強筋單元13-1、13-2、13-3、13-4中位於組裝主軸機架20的底座10的下部的第一加強筋單元13-1的間距的對於現有技術的相對比率定義為α，並將位於組裝輸送裝置30的底座10的下部的第二加強筋單元13-2的間距的對於現有技術的相對比率定義為β。在該情況下如圖6b所示，可確認出在第一加強筋單元13-1的間距的相對比率α為0.5〈α〈0.6，且第二加強筋單元13-2的間距的相對比率β為1.37〈β〈1.55時，確保對於外部溫度變化的最大熱變形減少和最大切削力條件下的最大底座靜剛度。而且，可確認出在將與第二加強筋單元13-3相鄰的第三加強筋單元13-3的間距的相對比率設定成與第二加強筋單元13-2的間距的相對比率相同且將與第三加強筋單元13-3相鄰的第四加強筋單元13-4的間距的相對比率設定成與第一加強筋單元13-1的間距的相對比率α相同從而設計成加強筋13整體上呈左右對稱形狀的情況下，確保對於外部溫度變化的最大熱變形減少和最大切削力條件下的最大底座靜剛度。下述表I比較了現有技術與本發明的效果，可確認出與現有技術相比，本發明的X軸方向(工件半徑方向)靜剛度提高了 25%，且熱變形減少了 10%。表I
權利要求
1.一種車削加工中心的底座(10)，組裝有卡緊工件的主軸機架(20)、用於利用刀具加工工件的轉塔刀架(40 )和刀具臺(50 )、以及用於輸送上述轉塔刀架(40 )和刀具臺(50 )的輸送裝置(30)，其特徵在於， 上述底座(10)包括由多個加強筋單元(13-1、13-2、13-3、13-4)構成的加強筋(13)， 上述加強筋單元包括位於組裝上述主軸機架(20)的底座(10)的下部的第一加強筋單元(13-1)和位於組裝上述輸送裝置(30)的上述底座(10)的下部的第二加強筋單元(13-2)， 構成為上述第一加強筋單元(13-1)的間距(α )小於上述第二加強筋單元(13-2)的間距(β )。
2.根據權利要求1所述的車削加工中心的底座(10)，其特徵在於， 上述加強筋單元進一步包括與上述第二加強筋單元(13-2)相鄰而配置的第三加強筋單元(13-3)和第四加強筋單元(13-4)， 構成為上述第三加強筋單元(13-3)的間距與上述第二加強筋單元(13-2)的間距(β )相同， 並構成為上述第四加強筋單元(13-1)的間距與上述第一加強筋單元(13-1)的間距(α )相同。
3.根據權利要求1所述的車削加工中心的底座(10)，其特徵在於， 上述第一加強筋單元(13-1)的間距的相對比率(α )為0.5<α<0.6，且上述第二加強筋單元(13-2)的間距的相對比率(β )為1.37〈β〈1.55。
4.根據權利要求1所述的車削加工中心的底座(10)，其特徵在於， 上述加強筋(13)由一體化的單一構造構成。
全文摘要
本發明是組裝有卡緊工件的主軸機架(20)、用於利用刀具加工工件的轉塔刀架(40)和刀具臺(50)、以及用於輸送上述轉塔刀架(40)和刀具臺(50)的輸送裝置(30)的車削加工中心的底座(10)，上述底座(10)包括由多個加強筋單元(13-1、13-2、13-3、13-4)構成的加強筋(13)，上述加強筋單元包括位於組裝上述主軸機架(20)的底座(10)的下部的第一加強筋單元(13-1)和位於組裝上述輸送裝置(30)的上述底座(10)的下部的第二加強筋單元(13-2)。根據本發明，其特徵是通過拓撲最優化而構成為上述第一加強筋單元(13-1)的間距(α)小於上述第二加強筋單元(13-2)的間距(β)，理想的是，其特徵是上述第一加強筋單元(13-1)的間距的相對比率(α)為0.5<α<0.6，且上述第二加強筋單元(13-2)的間距的相對比率(β)為1.37<β<1.55。
文檔編號B23Q1/00GK103108715SQ201180042867
公開日2013年5月15日 申請日期2011年9月2日 優先權日2010年9月6日
發明者李相奎 申請人:鬥山英維高株式會社