《基于拓扑优化的刀架支架轻量化设计》
作者：谢黎明，高双
(兰州理工大学机电工程学院，甘肃 兰州 730050)
摘要：利用拓扑优化和有限元静动态分析相结合的方法，对铣车复合加工中心直驱摆头动力刀架支架进行了结构轻量化设计。首先建立支架的有限元模型，对其进行静动态分析，得到设计的基本参数；然后采用拓扑优化方法进行优化设计，得到了新的支架结构设计方案。有限元分析结果表明：优化后的支架模型静动态特性基本不变，质量比优化前减少了22%，达到了优化目的。
关键词：优化设计；拓扑优化；轻量化；HyperWorks；静动态分析
中图分类号：TH122 文献标识码：A 文章编号：2095-509X(2019)06-0015-04

直驱摆头动力刀架是某型号铣车复合加工中心的核心组件之一，主要由电主轴、力矩电机和直驱摆头动力刀架支架（简称支架）三部分组成。直驱摆头动力刀架安装在铣车复合加工中心的移动横梁上，由丝杠驱动在横梁上作X向移动。刀具安装在电主轴端部，力矩电机驱动电主轴在支架上作A轴旋转运动（旋转角度为-10°～110°）。支架底部固定在直线导轨的滑块上，与丝杠螺母副的螺母连接。
动力刀架从20世纪80年代开始出现，最初是在电力刀架或者液压刀架的本体基础上加装动力刀具驱动模块构成，但由于其转位速度较慢，逐渐被市场边缘化。20世纪90年代出现了伺服动力刀架，由于这种刀架结构复杂，技术含量高，主要用于高端机床上，因此只有少数几个刀架制造商能够生产。随后由于力矩电机技术的进步，市场上出现了很多由力矩电机驱动的动力刀架，这种动力刀架结构简单、体积小、质量轻、可靠性高，逐渐成为市场的主流。近年来，国内对动力刀架的研究越来越多，郑鹏等用有限元方法分析了动力刀架在不同工况下的扭转刚度；谢黎明等对动力刀架做了机电藕合分析和模态分析。
对直驱摆头动力刀架进行轻量化设计，不仅可以减轻部件质量，减少原材料消耗，节约加工成本，更重要的是直驱摆头动力刀架为运动部件，总质量的减轻可以减少因惯性引起的振动和冲击，提高机床的动态性能和加工精度，有效地减少振动和噪声，增加机床的使用寿命。直驱摆头动力刀架中的电主轴和力矩电机为外购通用件，不可更改，因此对动力刀架进行轻量化设计其实质就是对支架进行轻量化设计。
本文采用拓扑优化和有限元静动态分析相结合的方法，在不降低支架静动态性能的基础上对支架进行轻量化设计，得到了支架的轻量化设计方案，为铣车复合加工中心整机性能的优化打下基础。

1 支架有限元模型建立
1.1 建立几何模型
使用SolidWorks软件建立支架的几何模型，保存成IGES格式的文件，然后导入到ANSYS Workbench软件中。在建模过程中对支架进行了合理的简化，去掉了一些螺纹孔、小圆角、小台阶等。建立的支架几何模型如图1所示。

图1支架模型

1.2网格划分
支架所用的材料为HT300，其材料特性为：弹性模量150GPa，泊松比0.25，密度7 200kg/m3。在ANSYS Workbench中建立HT300材料类型，并输入其特性，最后将材料类型赋予支架几何模型。设置完毕后，可以从支架模型的特性列表中查到支架目前的质量为1 393.4kg。

作者简介：谢黎明（1962—），男，回族，教授，硕士，主要研究领域为先进制造技术，xielm810@sina.com.
通讯作者：高双，574799667@qq.com.