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桌麵數控車床（chuáng）結構的優（yōu）化（huà）設計（jì）

2017-7-6 來源：四川大學製造科學與工程學院作者：黃紀剛，方輝，蔣滔，董秀麗

摘要：針對微小零件的加工製造，設計了１台（tái）桌麵級數控車床（chuáng）。用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件進行車床的（de）結構（gòu）設計，重點使用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件中的（de）Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｘｐｒｅｓｓ模塊對車床關鍵部件的結構進行有限（xiàn）元靜（jìng）力學分析，經（jīng）過計算求解，模擬出（chū）各部（bù）件在實（shí）際工作時所（suǒ）受的（de）應（yīng）力以及應變分布情況。根據計算結果，對（duì）結構進行針對性（xìng）地優化。在優化的過程中，主要以質量最小化為優化目標，使結構（gòu）在滿足力學性能的前提下，盡可能輕量化，以（yǐ）降低成本。最終根據（jù）優化後的設計方案構建出桌麵級車床。

關鍵（jiàn）詞：車床；Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ；優化設計；有限元分析

隨著社會的發展，人們趨（qū）於追求許多常用產（chǎn）品的（de）小型化和微（wēi）型化，製（zhì）造業將麵臨越來越（yuè）多加工微小零件的情況［１］。目前，數控機床（chuáng）作為製造業主（zhǔ）要的製造設備，具有效率高、加（jiā）工能力強等優（yōu）點，但對於一些價值（zhí）較低的微小零（líng）件（jiàn）來說，常規尺度（dù）的數控機床的加（jiā）工成本較高（gāo）。針對這樣（yàng）的需求，設計了１台桌麵（miàn）級數控車床，並采用有限元分析方法對初始設計方案進行了優化。

桌（zhuō）麵級（jí）機床的發展（zhǎn）是對製造技術和製造（zào）裝備的有益補充［２］，它具有體積小、成本低、結構簡單（dān）、傳動效率高（gāo）等特點，具有廣泛的適用（yòng）性。

１.車床結構設計

機械結構設計的傳（chuán）統方（fāng）法需要（yào）大量的手工繪圖，並根據設（shè）計者的經驗（yàn）來確定機械零件的結（jié）構。這種方（fāng）法不僅勞動量大，而且無法科學地（dì）考察機械件結構設（shè）計的合理性，從而難以在設計初期（qī）及時發現設計的（de）不（bú）當之處，導致出錯率高，容易造（zào）成經濟（jì）上的浪費。隨著ＣＡＤ軟件的出現（xiàn）和流行，機械結構設（shè）計（jì）的傳統方法逐漸被（bèi）摒棄，利用功能強大的ＣＡＤ軟件幫助設計人員（yuán）完成機械結構的設（shè）計成為了現代機械設計的主流方法。利用現代ＣＡＤ軟件設計機械（xiè）結構不僅能有效地避免勞動量大、出錯率高、缺乏力學驗證等不足，同時也縮（suō）短了設計周期（qī）、降低了設成本［３］。Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件（jiàn）是目前行業內主流（liú）的ＣＡＤ軟（ruǎn）件之一，其（qí）功能強大（dà），集（jí）三維建模（mó）、工程圖（tú）製作、虛擬裝配、運動仿真、有限元分析優化等（děng）功能於一體，完全能夠滿足現代機械設（shè）計的全（quán）部要求［４］。本文采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件設計了（le）桌麵型車床的結構，設計流程框圖如圖１所示。

圖１　桌麵型車床的結構（gòu）設計流程框圖（tú）

設計的桌（zhuō）麵級數控車床的裝配體如圖２所示。其主要技（jì）術參數（shù）如下：１）床身尺（chǐ）寸為５８０ｍｍ×２６０ｍｍ×１８０ｍｍ，中心高為４０ｍｍ；Ｘ、Ｙ方向行程分別（bié）為２８０、１５０ｍｍ；選用自定（dìng）心三爪卡盤，其夾持直徑為２～２２ｍｍ；２）Ｘ、Ｙ方向分別（bié）由１對線性導軌實現其進（jìn）給運（yùn）動的導向。設計（jì）中選用ＴＨＫ超小化設計的（de）ＲＳＲ係列導軌，其行走（zǒu）平行度精度可達０．０１７ｍｍ。Ｘ軸導軌選型為２ＲＳＲ５Ｎ３００Ｌ，Ｙ軸導軌選型為２ＲＳＲ３Ｎ１６０Ｌ；選用精密滾珠絲杠作為車床傳動件，Ｘ軸絲杠選型為ＢＮＫ１２０２，Ｙ軸絲（sī）杠選型為ＢＮＫ１００２。３）主軸傳動采（cǎi）取傳動比為１∶１．４的同步（bù）帶一級傳動，減少（shǎo）了許（xǔ）多中間傳動機構，降低了傳動的誤差，提高傳動效率；同時，主軸箱的結構（gòu）簡單，整體尺寸較小，符合該桌（zhuō）麵型數控機床的（de）設計理念［５］。

圖２　桌麵（miàn）級數控車床裝配體的設計原理圖

２.基於Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件的結構分析

Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件具備優秀的有限元分析能力，可供設計者在製作工（gōng）程圖進入實（shí）際（jì）加工之前（qián），對所設計的（de）零部件結構進行科學地分析並優（yōu）化（huà）求解，以達到結構最優。采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件進行結構（gòu）有限元分析的（de）一般流程為前處理、分析計算（suàn）以及（jí）後（hòu）處（chù）理（lǐ）［６］。前（qián）處理（lǐ）包（bāo）括建立有（yǒu）限元模型、添加夾具（jù）、添加載（zǎi）荷以及指定材料；分析計算是軟件根（gēn）據（jù）設置自動進行網格劃分（fèn）以（yǐ）及計算求解；後處理則包括計（jì）算結果的顯（xiǎn）示與分析，檢查其正（zhèng）確性，並可生成分析報表［７］。通過有限元對結構進行分析後，采（cǎi）用Ｓｏｌｉｄ－ｗｏｒｋｓ軟件進一步對結構（gòu）進行優（yōu）化（huà）。現以床身為例，說明利用該軟件對結構進行分析及優化的過程。床身是機床的基礎，本次設計采用的是臥式床身結構，並（bìng）在床身下方布置排屑（xiè）孔及排屑槽。床身（shēn）采（cǎi）用優質鑄鐵整體鑄造而成（chéng），並（bìng）合理布置筋板，使床身在（zài）具有良好（hǎo）剛性的（de）同時，用料最少，節約成本。另外，設計的床身上的所有加工表麵均位於鑄造麵上部，使之後的加工更加簡單；主（zhǔ）軸箱安（ān）裝麵與Ｘ方向導軌（guǐ）安裝麵的基準一致，能有效保證主軸中心與Ｘ軸平（píng）行。床身的前處理過程如圖３所示。

圖３　床身前處理過（guò）程

１）床（chuáng）身結構的有限元建模圖３（ａ）為桌麵型車（chē）床床身（shēn）的有限元模型（xíng）。建（jiàn）立其（qí）床身有限元模型時，忽略了各處的過渡圓角以及床身上（shàng）的所（suǒ）有螺栓孔，因為這些結構不會對床身（shēn）整體的質量及力學性能產生大的影響，忽略這些結構能簡化模型，提高計算速度８］。模型建立完成後，選擇Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｘｐｒｅｓｓ插件為床身定（dìng）義算（suàn）例。

２）添加夾具添加夾具即為分析（xī）對象添（tiān）加固定約（yuē）束。設計的車床通過（guò）床（chuáng）身底部的４個平麵支撐，指（zhǐ）定床身的固定約束，如圖３（ｂ）所（suǒ）示。

３）添加載荷床身主要受到主（zhǔ）軸箱以及進給機構的正壓力，通過Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ中質量屬性估算出主軸箱自重約（yuē）為１７８Ｎ，進給（gěi）機構自重約為１６３Ｎ。分別為主軸箱（xiāng）支撐麵和導軌（guǐ）安裝麵添加（jiā）正（zhèng）壓力為１４．３５０、１３．００８ｋＰａ，如圖３（ｃ）所示。

４）指定材料指定床身材料為灰鑄鐵，灰鑄鐵的（de）泊鬆比為０．２７，拉（lā）伸強度為１５１ＭＮ／ｍ２，抗壓強度為５７２ＭＮ／ｍ２，如圖３（ｄ）所示。

５）分析與（yǔ）計算根據設置的參數，采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ對床（chuáng）身結構進行（háng）有限元分析計算，模擬床身在工（gōng）作狀態下所受的應力及其（qí）變形情況，如圖４所示。由結果分析可知：床身所受最大應力出現在床身中部，約為４６．２０９１８ｋＰａ；最大應變（biàn）出現在床身中部兩（liǎng）側，變形量約為２．２×１０－４　ｍｍ。

圖４　分（fèn）析（xī）結果

３.結構優化

由（yóu）計算結果可知，床身受到的最大應力遠小於其拉伸強度，且變形很小，其結構還可進一步優化。由床身結構有限元分（fèn）析的應力分布和應變分布能夠看出，床身主軸箱安裝部位的應力和應變都最小（xiǎo），故可作為結構優化的重點部位。在有限元分析的基礎（chǔ）上，采用（yòng）Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件對結構進（jìn）行優化，需要指定優化的變量、給（gěi）定（dìng）約束（shù）條件以及確定優化的目標（biāo）。本文主要針對桌麵級車床的輕量化設計，故指定（dìng）床（chuáng）身主軸（zhóu）箱安裝部位的厚度為變量，以安全係數為（wéi）約束條件，優化（huà）求解的目標為質量最小化。床身結構（gòu）優化設（shè）置和（hé）結果如圖５所示。指定變量的（de）初始尺寸為２０ｍｍ，同時人為設置變量的上、下限分別為３５和１０ｍｍ，設置的最小安全係數（shù）為（wéi）２．３。采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ進行優化（huà）求解，優化後變量尺寸為２７ｍｍ，即主軸箱安裝部位的厚度減少了７ｍｍ。床身初始質量約為３２．８６２ｋｇ，優化後質量約為３０．６７４ｋｇ。通過比較可知，優化後的床身結構更加合理，降低了成本。

圖５　床身結構優化設置和結果

通過對關鍵部件結（jié）構的有限元靜力學分析以及結構優化，使設計（jì）方案更為合理，最終完成了桌麵級車床的設（shè）計，並構建了其（qí）實體（tǐ），如（rú）圖６所示。

圖６　桌麵級車床實（shí）體

４.結論

１）采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件進行機械結構設計，便於設計者查看、校對、修改以及表達設（shè）計方案，能（néng）極大提高（gāo）設計效率。２）采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟（ruǎn）件對結構進行有限元靜力學分析，計算（suàn）出各部件在（zài）工作狀態下的應力和應變（biàn）分布情況，供設計者考察結構設計的合理性，同時也為結構優（yōu）化指明了方（fāng）向。３）Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件在結構優（yōu）化中的應用，能幫助設計者科學地（dì）優化其設計（jì）方案，以追求（qiú）結構（gòu）設計的最優（yōu）化。

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