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桌麵（miàn）數控車床結構的優化設計

2017-7-6 來源：四川大學製造科學與工程（chéng）學院作者：黃紀剛，方輝，蔣（jiǎng）滔（tāo），董秀麗

摘要：針對（duì）微小零件的加工製造，設計了１台桌麵級數控車床。用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件進行車床的結（jié）構設（shè）計（jì），重點（diǎn）使用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件中的Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｘｐｒｅｓｓ模塊對車（chē）床關鍵部件的結構進行有限元靜力學分析，經過計算求解，模擬出各部件在實際工作（zuò）時所受的（de）應力以及應變分（fèn）布情況。根據計算結果，對結構進行針對性地優化。在優化的過程（chéng）中，主要以質量最小化為優（yōu）化目標，使結構在滿足力學性能的前提下，盡可能輕量化，以降低成本。最終根據優化後的設計方案構建出桌麵級車床。

關鍵詞：車床；Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ；優（yōu）化設計；有限元分析

隨著社會的發展（zhǎn），人們趨於（yú）追求許多常用產品的小型化和微（wēi）型化，製造業將麵臨越（yuè）來越多加工微（wēi）小零件的情況（kuàng）［１］。目前，數控機床作為製造業主要的製（zhì）造設備，具有效率高（gāo）、加工能力強等優點，但對於一些價值較低（dī）的微小零件來說（shuō），常規尺度的數控機床的加工成本較高。針對這（zhè）樣（yàng）的需求，設計了１台桌麵級數控車床（chuáng），並采用（yòng）有（yǒu）限（xiàn）元分析方法對初始設計方案進行了優化。

桌麵級機床的發展是對製造（zào）技術和製造裝備的有益補充［２］，它具有（yǒu）體積（jī）小、成本低、結構簡單、傳（chuán）動效率高等特點，具有廣泛的適用性。

１.車（chē）床結構設計

機械（xiè）結構設計的傳統方法需要大量的手工繪（huì）圖，並根據設（shè）計者的經驗來確定（dìng）機械零件的結構。這（zhè）種方法不僅勞動量大，而且無法科學地考察機械件結構設計的合理性，從而難以（yǐ）在設計初期及時發（fā）現設計的不當之處，導致（zhì）出錯率高，容易（yì）造成經（jīng）濟上的浪費。隨著ＣＡＤ軟件的出現和（hé）流行，機（jī）械結構設計的（de）傳統方法逐漸被摒棄，利用功能強大的ＣＡＤ軟件幫（bāng）助設計（jì）人員完成機械結構的設（shè）計成為了現代機械設計的主流方法（fǎ）。利用現（xiàn）代ＣＡＤ軟（ruǎn）件設計機（jī）械結構不僅能有效地避免勞（láo）動量大、出（chū）錯率高、缺乏力學驗證等（děng）不足，同（tóng）時也縮短了設計周期、降低了設成本（běn）［３］。Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件是目前行業內主流的ＣＡＤ軟件（jiàn）之一，其功能強大，集三維建模、工程圖製作、虛（xū）擬裝配、運動仿真、有限元分析優化（huà）等功能於一體，完全能夠滿足現代機械設計的全部要求［４］。本文采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件設計了桌麵型車床的結構，設計流程框圖如圖１所示。

圖１　桌麵型車床的結構設計流程框（kuàng）圖（tú）

設計的桌麵級數控車床（chuáng）的裝配體如圖２所示。其主要技術參數（shù）如下：１）床身尺寸（cùn）為５８０ｍｍ×２６０ｍｍ×１８０ｍｍ，中心高為４０ｍｍ；Ｘ、Ｙ方向（xiàng）行程分（fèn）別為２８０、１５０ｍｍ；選用自定心三爪卡盤，其夾持直徑為２～２２ｍｍ；２）Ｘ、Ｙ方向分別由１對線性導軌實現其（qí）進給運動的導向。設計（jì）中選用ＴＨＫ超小化設計的ＲＳＲ係列導軌，其行走平行度（dù）精度可達０．０１７ｍｍ。Ｘ軸導軌選型為２ＲＳＲ５Ｎ３００Ｌ，Ｙ軸導軌選型（xíng）為２ＲＳＲ３Ｎ１６０Ｌ；選用精密滾珠（zhū）絲杠作為車床（chuáng）傳（chuán）動件，Ｘ軸絲杠（gàng）選型為ＢＮＫ１２０２，Ｙ軸絲杠選（xuǎn）型為ＢＮＫ１００２。３）主軸傳動采取傳動比為１∶１．４的同步帶一級傳動，減少（shǎo）了許多中間傳動（dòng）機構，降低了傳動的誤差，提高（gāo）傳（chuán）動效率（lǜ）；同（tóng）時，主軸箱的結構簡單（dān），整體尺寸（cùn）較小，符合該桌麵型數控機床的設計理念［５］。

圖２　桌麵級數控車床（chuáng）裝配體的設計原理圖

２.基於Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件的結構（gòu）分（fèn）析

Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟（ruǎn）件具備優秀的有限元分析能力，可供（gòng）設計者在（zài）製作工程圖進入實際（jì）加工之前，對所（suǒ）設計的零部件結構進行科學地分析並優化求解，以達到結構最優。采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件（jiàn）進行結（jié）構有限元分析的一般流程為前處理、分析計算以及後處理［６］。前處理包括建立有限元模型、添加夾具、添加載荷（hé）以及指（zhǐ）定材料；分析計算是軟件根據設置（zhì）自動進行網格（gé）劃分以及計（jì）算求解；後處理則包括計算結果的顯示與分析，檢查其正確性，並可生成分析報表［７］。通（tōng）過有限元（yuán）對結構進行分析後，采用Ｓｏｌｉｄ－ｗｏｒｋｓ軟件進一步對結構進行優化。現以床身（shēn）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（jī）礎，本（běn）次設計采用的是臥式床身結構，並在（zài）床身下方（fāng）布（bù）置排（pái）屑孔及（jí）排屑槽。床身采用（yòng）優質鑄鐵（tiě）整體鑄造而成，並（bìng）合理布置筋板，使床身在具有良好剛性的同時，用料最（zuì）少，節約成（chéng）本。另外，設計的床身上的所有加工表麵（miàn）均位於鑄造麵上部，使（shǐ）之後的加（jiā）工更加（jiā）簡單；主軸箱安裝麵（miàn）與Ｘ方（fāng）向（xiàng）導（dǎo）軌（guǐ）安裝麵的基準一致，能有效保證主軸中心（xīn）與Ｘ軸平行。床（chuáng）身的（de）前（qián）處理（lǐ）過（guò）程如圖３所示。

圖３　床身前處理過程（chéng）

１）床身結構的有限元建模圖３（ａ）為（wéi）桌麵型（xíng）車床床身的有限元模型。建立其床身有限元模型（xíng）時，忽略了各處的過（guò）渡圓角以及床身（shēn）上的所有（yǒu）螺栓孔，因（yīn）為（wéi）這些結構不（bú）會對床身整體的質量及力學性能產生（shēng）大的影響（xiǎng），忽略這些結構能簡化模型，提高計算速度８］。模型（xíng）建立完成後，選擇Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｘｐｒｅｓｓ插件為床（chuáng）身定義算例。

２）添加夾具添加夾具即為分析對象添加固定約（yuē）束。設計（jì）的車床（chuáng）通過床身底部的４個平麵支撐，指定床身的固（gù）定約束，如圖３（ｂ）所示。

３）添加載（zǎi）荷床身主要受到主（zhǔ）軸箱以及（jí）進給機構的正（zhèng）壓力，通過Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ中質量屬性估算（suàn）出主（zhǔ）軸箱自重約為１７８Ｎ，進給（gěi）機構自（zì）重約為１６３Ｎ。分別為主軸箱支撐麵和導軌安（ān）裝麵添加正壓力為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（huī）鑄鐵的泊鬆比為０．２７，拉（lā）伸強度為１５１ＭＮ／ｍ２，抗壓強度為（wéi）５７２ＭＮ／ｍ２，如圖３（ｄ）所示。

５）分（fèn）析與計算根據設置的參數，采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ對床身結構進行有（yǒu）限元分析計算，模擬床身（shēn）在工作狀態下所受（shòu）的應力（lì）及其變形情況，如圖４所示。由結果分析（xī）可知：床身所受最大應（yīng）力出現在床身中部，約為４６．２０９１８ｋＰａ；最大應變出現在床身中部兩側（cè），變形量約為２．２×１０－４　ｍｍ。

圖４　分析結果

３.結構優化

由計算結果可（kě）知，床身受到的（de）最（zuì）大應力遠小於其拉伸（shēn）強度，且變形很小，其結（jié）構還可（kě）進一步（bù）優化。由床（chuáng）身結構有限元分析的應（yīng）力（lì）分布和應（yīng）變分布能夠看出，床身主軸箱安裝部位的應力和應變都（dōu）最小（xiǎo），故可（kě）作為結構優化的重點部位。在有限元分析的基礎上（shàng），采（cǎi）用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件對結構進行優化，需要指定優化的（de）變量、給定約束條（tiáo）件以及（jí）確（què）定優化的目標。本文主（zhǔ）要針（zhēn）對桌麵級車床的輕量化設計，故指定（dìng）床身主軸箱安裝部位的厚度為變量（liàng），以安全係數為約束條件，優化求解的目標為（wéi）質量最小化。床身結構優化設置和結果如圖５所示。指定變（biàn）量的初始尺寸為２０ｍｍ，同時人為設置變量的（de）上（shàng）、下限分別為３５和１０ｍｍ，設置的最小安全係數為２．３。采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ進行優化求解，優化後變量尺（chǐ）寸為２７ｍｍ，即主軸箱安裝部（bù）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（de）床（chuáng）身結構更加合理，降低了成（chéng）本。

圖５　床身結構優化（huà）設置和結果

通過對關鍵部件（jiàn）結構（gòu）的有限元靜力學分析以及結構優化，使設計方（fāng）案（àn）更（gèng）為合理，最終完成（chéng）了桌麵級車床的設計（jì），並構建了其實體，如圖６所示。

圖６　桌麵級車（chē）床實體

４.結論

１）采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟（ruǎn）件進行機械（xiè）結構（gòu）設計，便於設（shè）計者查看、校對、修改以及（jí）表達設計方案（àn），能（néng）極大提高設計效率（lǜ）。２）采（cǎi）用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件對（duì）結構進行有（yǒu）限元靜力學分析，計算出各部件在工作狀（zhuàng）態下的應（yīng）力和應變分布情況，供設計者考察結構設（shè）計的合理（lǐ）性，同時也為結構優化指明了方（fāng）向。３）Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件在結構優（yōu）化中的（de）應用，能幫助設計者科學地優化其（qí）設計方案，以追求結構設計的最優化。

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