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桌麵數控車床結構的優（yōu）化設計

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

摘要：針對微小零件的加（jiā）工製造，設計（jì）了１台桌麵級數控車床（chuáng）。用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件進行車床的（de）結構設計，重點使用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件中的Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｘｐｒｅｓｓ模塊對（duì）車（chē）床關鍵部件的結構進行有限元靜力學分析（xī），經過計算求解（jiě），模擬出各部件在實際工作時所受的應力以及應變分布情況。根據計算結果，對結構進行針對性地優化。在優化的過程中，主要以質量最（zuì）小化為優化目（mù）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（hòu）的設計方案構建出桌麵級車床。

關鍵詞：車床；Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ；優化設計；有限元分析

隨著社會的發展，人們趨（qū）於追求許多常用產品（pǐn）的小型化和微型化，製造業將麵臨越來越多加工微小零件（jiàn）的情況［１］。目前，數控機床作為製造業主要的製造設備，具有效率（lǜ）高、加工能力強等優（yōu）點，但對於一些價值較低的微小零件來說，常規尺度的數控機床的加工成本較高。針對這（zhè）樣的需求，設計（jì）了１台桌麵級數控車（chē）床，並采用有限元分析方法對初始（shǐ）設計方案進行了優化。

桌麵級機床的發展是對製造技術和（hé）製造（zào）裝備的有益補充［２］，它具有（yǒu）體積小（xiǎo）、成本低、結構簡單、傳動效（xiào）率高等特（tè）點，具（jù）有廣泛的適用性。

１.車床結構設計

機械結構設計的傳統（tǒng）方法需要大量的手（shǒu）工繪圖，並根據設計（jì）者的經驗（yàn）來確定機械零件的結構。這種方法不僅勞動量大，而且（qiě）無法科學地考察機械件結構設計的合理性，從而難以在（zài）設（shè）計初期及時發現設計的（de）不當之處，導致出錯率高，容易造成經濟上的浪費。隨著ＣＡＤ軟件的出現和（hé）流行，機械結構（gòu）設計的傳統方法逐漸被摒棄，利用功能強大的ＣＡＤ軟件（jiàn）幫助設計人員完成機械結構的設計（jì）成為了現代機械設計（jì）的主流方法。利用現代ＣＡＤ軟件設計機械結構不僅能有效地避免勞動量（liàng）大、出錯率高、缺乏力學驗證等不足，同時也縮短了（le）設計周期、降低（dī）了設成本［３］。Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟（ruǎn）件（jiàn）是目前行業內主流的ＣＡＤ軟件之一，其功能強大（dà），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（gōng）能於一（yī）體，完全能夠滿足現代機械設計（jì）的全部要求［４］。本文采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件設計（jì）了（le）桌麵型車床的結構，設（shè）計流程框圖如圖１所示。

圖（tú）１　桌麵型車床的結（jié）構設計流程框（kuàng）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（cān）數如下：１）床身尺寸為（wéi）５８０ｍｍ×２６０ｍｍ×１８０ｍｍ，中心（xīn）高為４０ｍｍ；Ｘ、Ｙ方向行程分別為２８０、１５０ｍｍ；選用自（zì）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（xiàn）性導軌實現其進給運動的導向。設計中選用ＴＨＫ超小化設計的ＲＳＲ係列導軌，其行走平行度精度可達０．０１７ｍｍ。Ｘ軸導軌選（xuǎn）型為２ＲＳＲ５Ｎ３００Ｌ，Ｙ軸導軌選型為２ＲＳＲ３Ｎ１６０Ｌ；選用精密滾珠絲杠作為車床（chuáng）傳動件，Ｘ軸絲杠選型為ＢＮＫ１２０２，Ｙ軸（zhóu）絲杠選型為ＢＮＫ１００２。３）主軸（zhóu）傳動采（cǎi）取傳動比為１∶１．４的同步帶（dài）一級傳動，減少了許多（duō）中間傳動機構，降低了傳動（dòng）的誤差，提高傳動效率；同時，主軸箱的結構簡單，整體尺寸較（jiào）小，符合該桌麵型數（shù）控機床的設計理念［５］。

圖２　桌麵級數控車床裝配體的設計原理圖

２.基於Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件的（de）結構分析（xī）

Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件具備優秀（xiù）的有限元分析能力，可供（gòng）設計者在製作工程圖進入實（shí）際加工之前，對（duì）所設計的零（líng）部件結構進（jìn）行科學地分析並優化求解，以達到結構最（zuì）優。采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件進行結（jié）構有限元分析的一（yī）般流程為（wéi）前處理、分析計算以及後處理［６］。前處理包（bāo）括建立有限元（yuán）模型、添加夾具、添加載荷以及指定材料；分析計算（suàn）是軟件（jiàn）根（gēn）據設置自動進行網格（gé）劃分以及計算求解（jiě）；後（hòu）處理則包括計算（suàn）結果的顯示與分（fèn）析，檢查其正確性，並可生成分析報表［７］。通過有限元對結構進行分析後，采用Ｓｏｌｉｄ－ｗｏｒｋｓ軟件進一步對結構進行優化。現以床（chuáng）身為例，說明利用該（gāi）軟件對結構進行分析及優化（huà）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，並在床身下方布置（zhì）排屑孔及排屑槽。床身采（cǎi）用優質鑄鐵整體鑄造而成，並合理布置筋板，使床身在具有良好剛性的同（tóng）時，用（yòng）料最少，節約（yuē）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（zhī）後的加工更加簡單；主軸箱安裝麵與Ｘ方向導軌安裝麵的基（jī）準一致，能有效保證主（zhǔ）軸中心與Ｘ軸平行。床身的前處理過程如圖３所示。

圖３　床身前處理過程

１）床身結構的有限元建模圖３（ａ）為桌（zhuō）麵型車床床身的有限元模型。建立其床身有限元模型時，忽（hū）略了各（gè）處的（de）過渡圓角（jiǎo）以及（jí）床身上的所有螺栓孔，因為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）添加夾具添加夾具即（jí）為分析對象添加固定約束。設計的車床通過床身底部的４個平麵支撐，指定床身的固定約束，如圖３（ｂ）所示。

３）添加載荷床（chuáng）身主要（yào）受到主軸箱以及（jí）進給機構的正壓力，通過Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ中質量屬（shǔ）性估（gū）算出主軸箱自重約為１７８Ｎ，進給機構自（zì）重約為１６３Ｎ。分別為（wéi）主軸箱支撐麵和導軌安裝麵（miàn）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（zhù）鐵，灰鑄鐵的泊鬆比（bǐ）為０．２７，拉伸強度（dù）為１５１ＭＮ／ｍ２，抗壓強度為（wéi）５７２ＭＮ／ｍ２，如圖３（ｄ）所（suǒ）示。

５）分析與計算根（gēn）據設置的參數，采用（yòng）Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ對床（chuáng）身（shēn）結構進行有限元分析計算，模擬床身在工作（zuò）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：床身所受最大應力出現在床身中部，約為４６．２０９１８ｋＰａ；最（zuì）大應變出現在床身中部兩側，變（biàn）形量約為２．２×１０－４　ｍｍ。

圖４　分析（xī）結果

３.結構優化

由計算結果（guǒ）可知，床身受到的最大應力遠（yuǎn）小於（yú）其拉伸強度，且變形很（hěn）小，其結（jié）構還可進一步優化。由床身結構有限元分析的應（yīng）力分布和應變分布能夠看出，床身主軸箱安裝（zhuāng）部位的應力（lì）和應變都最小（xiǎo），故可作為（wéi）結構優化的重（chóng）點部位。在有限元分析的基礎上，采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟（ruǎn）件對結構進行優化，需要（yào）指定優化的（de）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（huà）設計，故指定床身主軸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。床身結構優化設（shè）置和結果如（rú）圖５所示。指定變量的初始尺寸為２０ｍｍ，同時人為設置變量的上、下限分別為３５和１０ｍｍ，設（shè）置的（de）最小安全係數為２．３。采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ進行優化求解，優化後變量尺寸為（wéi）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（wéi）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（tōng）過對關鍵部件結（jié）構的有限元靜（jìng）力學分析以及（jí）結構優（yōu）化，使設計方案更為合理，最終完成了桌麵級車床的設計，並構建了其實體，如圖６所示。

圖６　桌（zhuō）麵級車床實體

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、修改以及表達設計方案，能極（jí）大提高設計效率。２）采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件（jiàn）對結構進行有限元靜力（lì）學分析，計（jì）算出各（gè）部件在工作狀態下的應力和（hé）應變分布情況，供設計者考察結構設計的合理性，同時也為（wéi）結構優化指明了方向（xiàng）。３）Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件在結構優化中的應（yīng）用，能幫（bāng）助設計者科學地優化其設計方案，以（yǐ）追求結構設計的最優化。

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