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桌麵數控車床結構的優化設計

2017-6-29 來源：四（sì）川大學製（zhì）造科學與工程學院作者：黃紀剛方輝蔣滔董（dǒng）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（shù）控車床。用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件進行車床的結構設計，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靜力學分析，經過計（jì）算求解，模擬出各部（bù）件在實際工作時所受的應力以及應變分布情（qíng）況（kuàng）。根據計算結果，對結（jié）構（gòu）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（wéi）優化目標，使結構在滿（mǎn）足（zú）力學性能的前提下，盡可能輕量化，以（yǐ）降低成本。最終根（gēn）據優化後的設計方案構建出桌麵級車床。

關鍵詞：車（chē）床；Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ；優化設計；有（yǒu）限元分析

隨著社會的發展，人們趨於追求許（xǔ）多常用（yòng）產品的小型化和微型化，製造業將麵臨越來越（yuè）多加工微（wēi）小零件的情況［１］。目前（qián），數控機床（chuáng）作為製造業主要的（de）製造設備，具有效率高、加工能力強等優點（diǎn），但對於一些價值較低的微小零（líng）件來說，常規尺度的數控機床（chuáng）的加工成本較高。針對這樣的需求，設計（jì）了１台桌（zhuō）麵級數控車床，並采用（yòng）有限元分（fèn）析方法（fǎ）對初始設計方案進行了優化。桌麵級機床的發展是對製造技術和製造裝備（bèi）的有益補充［２］，它具有（yǒu）體（tǐ）積小、成本低、結構簡單、傳動效率高等特點，具（jù）有廣泛的適用性。

１.車床結構設（shè）計

機械結構設計的傳統方法需要大量的手工繪圖，並根據設計者的經驗來確定機械零件的結構（gòu）。這種方法不僅勞動量大，而且無（wú）法科學地考察機械件結構設計的合理性，從而難以在設計初期及時發現設計的不當之處，導致出錯率高，容（róng）易造成經濟（jì）上的浪費（fèi）。隨著ＣＡＤ軟件的出現（xiàn）和流行，機械結構（gòu）設計（jì）的傳統方法逐漸被摒棄，利用功（gōng）能強大的ＣＡＤ件幫助設計人員完成機械結構的設計成為了現（xiàn）代機械（xiè）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（lì）學驗證等不足，同時也縮短了設計周期、降低了設計成本［３］。Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件是目前行業（yè）內主流（liú）的ＣＡＤ軟（ruǎn）件之一，其功能強大，集（jí）三維建（jiàn）模、工程圖製作、虛（xū）擬裝配、運動仿（fǎng）真（zhēn）、有限元分（fèn）析優化（huà）等功能於一體，完（wán）全能（néng）夠滿足現代（dài）機械設計的全部要求［４］。

本文采（cǎi）用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件設計了桌麵型車床的結構，設計流（liú）程框（kuàng）圖如圖１所示。

圖１　桌麵型車床（chuáng）的結構設計流程框圖

設計的桌麵級數控車床的裝配體如圖２所示。其主要技術參數如下：

１）床身尺寸為５８０ｍｍ×２６０ｍｍ×１８０ｍｍ，中心高為４０ｍｍ；Ｘ、Ｙ方向行程分別為２８０、１５０ｍｍ；選用自定心三爪卡盤，其夾持直徑為２～２２ｍｍ；

２）Ｘ、Ｙ方向分別由１對線性導軌實現其進給（gěi）運動的（de）導向。設計中選用ＴＨＫ超小（xiǎo）化設計的（de）ＲＳＲ係列導軌，其行走平行（háng）度（dù）精度可達（dá）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軸絲杠選型（xíng）為ＢＮＫ１００２。

３）主軸（zhóu）傳動采取（qǔ）傳動比為１∶１．４的同步帶一級傳動，減少了許多中間（jiān）傳動機構，降（jiàng）低（dī）了傳動的誤差，提高傳動效率；同時，主軸箱的（de）結構簡單，整體尺寸較小，符合該桌麵型數（shù）控機床的（de）設（shè）計理念［５］。

圖２　桌麵級數（shù）控車（chē）床裝（zhuāng）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（yōu）秀的有限元分析（xī）能力。可供設計者在製作工程（chéng）圖進入實際加工之前（qián），對所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軟件進行結構有限元分析的一般流程為（wéi）前處（chù）理（lǐ）、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、添加載荷以及指（zhǐ）定材料（liào）；分析計算是軟件根據設置（zhì）自動進行網（wǎng）格（gé）劃（huá）分以及計算求解；後處理則包括計算結果的顯示與分析，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（jìn）行分析後，采（cǎi）用Ｓｏｌｉｄ－ｗｏｒｋｓ軟件進（jìn）一步（bù）對結構進行優（yōu）化。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（chuáng）的基礎，本次（cì）設計采用的是臥式床身結構，並（bìng）在床身（shēn）下方布置排屑孔及排屑槽。床身采用優質鑄鐵整體（tǐ）鑄造而成，並合理布置筋板，使床身在具有良（liáng）好（hǎo）剛性的同時，用料最少，節約成本。另外，設計的（de）床身上的所（suǒ）有加工表麵均位（wèi）於鑄造麵上部，使之後的加工更加簡單；主軸箱安（ān）裝麵與Ｘ方向導軌安裝麵（miàn）的基準一致，能有效（xiào）保證主（zhǔ）軸中心與（yǔ）Ｘ軸平行。床（chuáng）身的（de）前處（chù）理過程如圖３所示。

圖３　床（chuáng）身前處理過程

１）床身結構（gòu）的有限元建模圖３（ａ）為桌麵型（xíng）車床床身的有限元模型。建立其床身有限元（yuán）模型（xíng）時，忽略了各處的（de）過渡（dù）圓角以及床身上的所有（yǒu）螺栓孔，因為這些結構不會對床身整體的質量及力學（xué）性能產生（shēng）大的影響，忽略這些（xiē）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插件為床身定義算例。

２）添（tiān）加夾具添加（jiā）夾具即為分析對象添加固定約束（shù）。設計的車床通（tōng）過床身底部的（de）４個平麵支撐，指定床身的（de）固定約束，如圖（tú）３（ｂ）所示。

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

４）指（zhǐ）定（dìng）材料指定床身材料為灰（huī）鑄鐵，灰鑄鐵的泊鬆比為０．２７，拉（lā）伸強（qiáng）度為１５１ＭＮ／ｍ２，抗壓強度為５７２ＭＮ／ｍ２，如圖（tú）３（ｄ）所示。

５）分析與計算根（gēn）據設（shè）置的（de）參數（shù），采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ對床身結構（gòu）進行（háng）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：床（chuáng）身所受（shòu）最大應力出現在（zài）床身中部，約為４６．２０９　１８ｋＰａ；最大（dà）應變出現在床身中部兩側，變形量約為２．２×１０－４ｍｍ。

圖（tú）４　分析結果

３.結構優化

由計算結果可知，床身（shēn）受（shòu）到的最大應力遠小於其拉伸（shēn）強度，且變形很小，其結構還可進一步優化。由床身結構（gòu）有限（xiàn）元分析的應（yīng）力分布和應變（biàn）分布能夠看（kàn）出，床身主軸箱安裝（zhuāng）部位的應力和應變都最小，故可（kě）作為結構優化的重點（diǎn）部位。在有限元分析的基礎上，采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件對結構進行優化，需要指（zhǐ）定優化的變量、給定約束條件以及確定優化的目標。本文（wén）主要針對桌麵級車床的輕量化設計，故指定床身主軸箱安（ān）裝部位的厚度為（wéi）變量（liàng），以安全係數為約束條件，優化求解的目標為質（zhì）量（liàng）最（zuì）小化。床身結（jié）構優化設置和結果如圖（tú）５所示（shì）。指定變量的初始（shǐ）尺寸為（wéi）２０ｍｍ，同時人為（wéi）設置變量的上、下限分（fèn）別為３５和１０ｍｍ，設（shè）置的最小安全係數為２．３。采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ進行優化求解，優（yōu）化（huà）後（hòu）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（zhī），優化後的床身結構更加合理（lǐ），降低了成本。