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桌麵（miàn）數控車（chē）床結構（gòu）的（de）優化設計

2017-7-6 來源：四川大學製造科學與工程學院（yuàn）作者：黃（huáng）紀剛，方輝，蔣（jiǎng）滔，董（dǒng）秀麗

摘要：針對微小零（líng）件的加工製造，設計了（le）１台桌麵級數控車床。用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件進行車床的結構（gòu）設計（jì），重點使用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件中的Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｘｐｒｅｓｓ模塊對車床關鍵部件的結構進行有限元（yuán）靜（jìng）力學分析，經過計算求解，模擬出（chū）各部件在實際工作時所受的應力以及（jí）應變分布（bù）情況。根據計算結果，對結構進行針對性地優化。在優化的過程中，主要以（yǐ）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（shè）計；有限元分析

隨著社會的發展，人們趨於追（zhuī）求許（xǔ）多常用產品的（de）小型化和微型化，製造業將（jiāng）麵臨越來越多加（jiā）工微小零件的情（qíng）況［１］。目前，數控機床作為製造業主（zhǔ）要（yào）的製造（zào）設備，具有效率高、加工（gōng）能力強等優點，但對於（yú）一些價值較低的微小零件來說（shuō），常規尺度的數控機床的加工成本較高。針對這樣的（de）需求，設計了１台桌麵級數控車床，並采用有限元分析方法對初始設計方案進（jìn）行了優（yōu）化。

桌麵級（jí）機床的發展是對製造技術和製造裝備的有益補充［２］，它（tā）具有體積小、成本低、結構（gòu）簡單、傳動效率高等特點，具有廣泛的適用（yòng）性。

１.車床結構設（shè）計

機械結構設計的傳統方法需要大（dà）量的手工（gōng）繪圖，並根據設計者的經驗來確定機（jī）械零件的結構。這種方法（fǎ）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（zài）設計初期及時發現設計的不當之處，導致出錯率高，容易（yì）造成經濟上的浪費。隨著ＣＡＤ軟件的出現和流行，機械結構設計的傳統方法逐漸被摒棄，利用功能強大的ＣＡＤ軟件幫助設計人員完成機械結構的設計成為（wéi）了現代機（jī）械設計的主流方法。利用現代ＣＡＤ軟件設計機械結構不（bú）僅能（néng）有效地避免勞動量大、出錯率高、缺（quē）乏力學驗證等不足（zú），同時（shí）也縮短（duǎn）了設計周（zhōu）期（qī）、降低了設成本［３］。Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件是目前（qián）行業（yè）內主（zhǔ）流的ＣＡＤ軟件之一（yī），其功能強大，集三維建模、工程圖製作、虛擬裝配、運動仿真、有限元分析優化等功能於一體，完全能夠滿足現代機械設計的全（quán）部要（yào）求［４］。本文采用（yòng）Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件設計了桌麵型車床的（de）結構，設計流程框圖如圖１所（suǒ）示。

圖１　桌麵型車床的結構（gòu）設計流程框圖

設計的桌麵級數控車床的裝（zhuāng）配體如圖２所示。其主要技術參數（shù）如下：１）床身尺寸為５８０ｍｍ×２６０ｍｍ×１８０ｍｍ，中（zhōng）心高為４０ｍｍ；Ｘ、Ｙ方向行程分別為２８０、１５０ｍｍ；選用自定心三爪卡盤，其夾持（chí）直徑為２～２２ｍｍ；２）Ｘ、Ｙ方向分別由１對線性導（dǎo）軌實現（xiàn）其進（jìn）給運動的導（dǎo）向（xiàng）。設計中選用ＴＨＫ超小化設（shè）計的ＲＳＲ係列導軌，其行走平行度精度可達（dá）０．０１７ｍｍ。Ｘ軸導軌選型為２ＲＳＲ５Ｎ３００Ｌ，Ｙ軸（zhóu）導軌選型為２ＲＳＲ３Ｎ１６０Ｌ；選用精密滾珠絲杠作為（wéi）車床傳動件，Ｘ軸（zhóu）絲杠選型為ＢＮＫ１２０２，Ｙ軸絲杠選型為（wéi）ＢＮＫ１００２。３）主軸傳動采（cǎi）取傳動比為１∶１．４的同步帶一級傳動（dòng），減少了許多中間傳動機構，降低了傳動的誤差，提高傳動（dòng）效率；同時，主軸箱的結構簡單，整體尺寸較小（xiǎo），符合該桌麵型（xíng）數控機床的設計理念（niàn）［５］。

圖２　桌麵級數控車床裝（zhuāng）配體的設計原理圖

２.基於Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件的結構分析（xī）

Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件具備優秀的有限元（yuán）分（fèn）析能力，可供設計者在製作工程圖進入實際（jì）加工之前，對所設計的（de）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軟件進（jìn）行結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（lǐ）包括建立有限元模型、添（tiān）加夾具、添加載荷以及指定材料；分析計（jì）算是軟件根據設置（zhì）自動進行網格劃分以（yǐ）及計算求解；後處理則包括計算結果的顯示與（yǔ）分析，檢查其正確性，並（bìng）可生成分析報表［７］。通過有限元對結構進行分（fèn）析後，采用Ｓｏｌｉｄ－ｗｏｒｋｓ軟件進一步對結（jié）構進行優化。現以床身為例，說明利用該軟件對結構進（jìn）行分析及優（yōu）化的過程。床（chuáng）身是機床的基礎，本次設計采用的是臥式（shì）床身結構（gòu），並在（zài）床身下方布置排屑孔及排屑槽。床身采用優質鑄鐵整體鑄（zhù）造而成，並合理布置筋板，使床身在（zài）具有良好剛性的同時，用料最少（shǎo），節約成本。另外，設計的床身上（shàng）的所（suǒ）有加工表麵均位於鑄造麵（miàn）上部，使（shǐ）之後的加工更加簡（jiǎn）單；主軸箱安裝麵與Ｘ方向導軌安裝麵（miàn）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（lǐ）過程如圖３所示。

圖３　床身前處理過程

１）床身結構的有限（xiàn）元建模圖３（ａ）為桌麵型車床床身的有限元模型。建立其床（chuáng）身有（yǒu）限元模型時（shí），忽略了各處的過渡圓角以及床身上的所（suǒ）有螺栓孔（kǒng），因為（wéi）這些結構不會對床身整體的質量（liàng）及力學性能產生大的影響，忽略這些結構能簡化模（mó）型（xíng），提高計算速度８］。模型建立完成後，選擇Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｘｐｒｅｓｓ插件為床身定義算例（lì）。

２）添加夾具添（tiān）加夾具即為分析（xī）對象添加固定約束。設計的車床通（tōng）過床身底部的４個（gè）平麵（miàn）支撐，指定床身的（de）固定（dìng）約束，如（rú）圖３（ｂ）所示（shì）。

３）添加載荷（hé）床身主要受到主軸箱以及進給機構的正壓力，通過（guò）Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ中質量屬性估算出主軸箱自重約為１７８Ｎ，進給機構自（zì）重（chóng）約為１６３Ｎ。分別（bié）為主軸箱支撐（chēng）麵和（hé）導軌安裝麵添加正壓力為１４．３５０、１３．００８ｋＰａ，如圖３（ｃ）所示。

４）指定材料指定床（chuáng）身材料為灰鑄鐵，灰鑄鐵的泊鬆比為０．２７，拉（lā）伸強度為（wéi）１５１ＭＮ／ｍ２，抗壓強度為５７２ＭＮ／ｍ２，如（rú）圖３（ｄ）所示（shì）。

５）分析與計（jì）算根據設置的參數，采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ對床（chuáng）身結構進行有限元分析計算，模擬床身在工作狀態下所受的應力及其變形情況，如圖４所示。由結果分析可知（zhī）：床身所受最大應（yīng）力出現（xiàn）在床身中部，約為４６．２０９１８ｋＰａ；最大應變（biàn）出現在（zài）床身中部兩側，變形量約為２．２×１０－４　ｍｍ。

圖４　分析結果

３.結構優化

由計算結果可知，床（chuáng）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（yī）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，故可作為結構優化的重點部位。在有限元（yuán）分析的基礎上，采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件對結構（gòu）進行優化，需要指定優化的變量、給定約束條件以及確定優化的目標。本文主要針對桌麵級車床的輕量化設計，故指定床身主軸（zhóu）箱安裝部位的厚度為變量，以安全係（xì）數為約束條件，優化求解的目標為質量最小化。床身結構優化設置和結果如圖（tú）５所示。指定變（biàn）量的（de）初始尺寸為２０ｍｍ，同時人為設置變量的上、下限分（fèn）別為３５和１０ｍｍ，設置（zhì）的最小安全係數為２．３。采用（yòng）Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ進行優化求解，優化後變量尺寸為（wéi）２７ｍｍ，即主軸箱安裝部位的厚度減少了７ｍｍ。床身初始（shǐ）質量約為（wéi）３２．８６２ｋｇ，優化後質量約（yuē）為（wéi）３０．６７４ｋｇ。通過比（bǐ）較可知，優化後的床身結構更加合理，降低（dī）了成（chéng）本。

圖５　床身結構優化設（shè）置和結果（guǒ）

通過對關鍵部件結構（gòu）的有限元靜力學（xué）分析以及結構（gòu）優化，使（shǐ）設計方案更為合（hé）理，最終完成了桌麵級車床（chuáng）的設計，並構建（jiàn）了其實體（tǐ），如圖６所示。

圖６　桌麵級車床（chuáng）實體

４.結論

１）采（cǎi）用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件進（jìn）行機械結構設計，便於設（shè）計者查看、校對、修改（gǎi）以及表達設計方案，能極大提高設計效率。２）采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件對結構進（jìn）行有限元（yuán）靜力學分析，計算出各部件在工作狀態下的應力和應變分布情況，供設（shè）計者考察結構（gòu）設計的合理性，同時也為結構優化指明了方向。３）Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件在結構優化中的應用，能幫助設計者科學（xué）地優化其設計方（fāng）案，以追求結（jié）構設計（jì）的最優（yōu）化。

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