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桌麵（miàn）數控車（chē）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作者：黃紀剛，方輝，蔣滔，董秀麗

摘要：針對微小零件的加（jiā）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，經過計算求解，模擬出各部件在（zài）實際工作時所受的應力以（yǐ）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（de）過程（chéng）中，主要以質量最小化為優化目標，使結構在滿足力學性能的前提下，盡可能輕量（liàng）化，以降低成本。最終根據優化後的設計（jì）方案構建出桌麵級車床。

關鍵詞：車床；Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ；優化（huà）設計；有限元分析

隨著社會的發展，人們趨（qū）於追求（qiú）許多常用產品的小型化和微型化，製造（zào）業將麵臨越來越多加工微小零件的情況［１］。目前，數（shù）控機床作為製造業主要的製造設備，具有（yǒu）效率高、加工能力強等優（yōu）點，但對於一（yī）些價值較低的微小零件來說，常規尺度的數（shù）控機床的加工成本較高。針對這樣的需求，設計了１台桌麵級數控（kòng）車床（chuáng），並（bìng）采用有限元（yuán）分析方法（fǎ）對初始設計方案進（jìn）行了優化。

桌麵（miàn）級機（jī）床的發展是對製造技術和製造裝（zhuāng）備的有益補充（chōng）［２］，它（tā）具有體積小、成本低、結構簡單、傳動效（xiào）率高等特（tè）點，具有廣泛的適用性。

１.車床結構設計（jì）

機械結構設計的傳統方法需要（yào）大（dà）量的手工繪圖，並根據（jù）設計者（zhě）的（de）經驗來確定機械零件的結（jié）構。這種方法不僅勞動量大，而且無法科（kē）學地考察機械件結構設計的合（hé）理性，從而難以在設計初期及（jí）時發現（xiàn）設計的不當之處，導致出（chū）錯率高（gāo），容易造成經濟上的浪費。隨（suí）著ＣＡＤ軟件的出現和流行（háng），機械結構設計的傳（chuán）統方法（fǎ）逐漸被摒棄，利用功（gōng）能強大的ＣＡＤ軟件幫助設計（jì）人員完成機械結構的設計成為了現（xiàn）代機械設計的主流方法。利用現代ＣＡＤ軟件設計機械結構不僅能有效地避免勞動量大（dà）、出錯率高、缺乏力學驗證等不（bú）足，同時也縮短了設計周期、降（jiàng）低了設成本［３］。Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件是目前行業內主流的ＣＡＤ軟件之一，其功能（néng）強大（dà），集三維建模、工程圖製作、虛擬（nǐ）裝配、運動仿真、有限元分析優化等功能於一體，完全能夠滿（mǎn）足現代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（chuáng）的結構，設計流程框圖如圖１所示。

圖１　桌麵型車床（chuáng）的結構設計流程（chéng）框圖（tú）

設計的桌麵（miàn）級數控（kòng）車床的裝配體如圖２所示。其主要技術（shù）參數如下：１）床身尺寸為５８０ｍｍ×２６０ｍｍ×１８０ｍｍ，中心高（gāo）為（wéi）４０ｍｍ；Ｘ、Ｙ方向行程分別為２８０、１５０ｍｍ；選用自定心三爪卡盤（pán），其夾持直徑為２～２２ｍｍ；２）Ｘ、Ｙ方向分別由１對線性導軌實現（xiàn）其進給運動（dòng）的導向。設計中選用ＴＨＫ超小化設計（jì）的ＲＳＲ係列導軌，其行走平行度精度可達０．０１７ｍｍ。Ｘ軸導軌選型為２ＲＳＲ５Ｎ３００Ｌ，Ｙ軸導軌選型為２ＲＳＲ３Ｎ１６０Ｌ；選用（yòng）精密滾珠絲杠作為車床傳動件，Ｘ軸絲杠（gàng）選型為（wéi）ＢＮＫ１２０２，Ｙ軸絲杠選型為ＢＮＫ１００２。３）主軸傳動采取傳動（dòng）比為１∶１．４的同步帶一級傳動，減少了許多中間傳（chuán）動機構，降低（dī）了傳動的誤（wù）差，提高傳動效率（lǜ）；同時，主軸箱的（de）結構（gòu）簡（jiǎn）單，整體尺寸較小，符合該（gāi）桌麵型數控機床的設計理念［５］。

圖２　桌（zhuō）麵級數控車床裝配體的設計原理圖

２.基於Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件的（de）結（jié）構分析

Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件具（jù）備優（yōu）秀的有限元分析能力，可供設計者在製作工程圖（tú）進入實際加工之前，對（duì）所設計的零（líng）部件（jiàn）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前處理（lǐ）、分析計（jì）算以及（jí）後處理［６］。前處理包括建立（lì）有限元（yuán）模（mó）型、添加夾具、添加載（zǎi）荷以及指定材料；分析計算是軟件根據設置自動進行網格劃分以及（jí）計算求解；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（jìn）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（chéng）。床身是（shì）機床的基礎，本次設計采用的是臥式床身結構，並在（zài）床身下方（fāng）布置排屑孔及排屑槽。床身采用優質鑄（zhù）鐵整體鑄造而成（chéng），並合理布置筋板，使床身在具有（yǒu）良好剛性的同時，用料最少，節（jiē）約成本。另外，設計的（de）床身上的所有加工表（biǎo）麵均位於鑄造麵上部，使之後的加工更加簡單；主軸（zhóu）箱安裝麵與Ｘ方向導軌安裝麵的基準一致，能有效保證（zhèng）主軸中心與Ｘ軸平行。床身的前處理過程如（rú）圖３所示。

圖（tú）３　床身前處理過程

１）床（chuáng）身結構的有限元建模圖３（ａ）為桌麵型（xíng）車床（chuáng）床身的有限元（yuán）模型。建立其床身有限元模型（xíng）時，忽略了各處（chù）的過渡圓角以及床身上的（de）所有（yǒu）螺栓孔，因為這（zhè）些結構不會對床身（shēn）整體的質量（liàng）及力學性能產（chǎn）生大的影響，忽（hū）略這（zhè）些結構能簡化（huà）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（jiá）具添加夾具即為分析對象添加（jiā）固（gù）定約束。設（shè）計的車床通過床身底部的４個平麵支撐，指定床身的固（gù）定約束，如圖３（ｂ）所示。

３）添加載荷床身主要（yào）受到（dào）主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（zhóu）箱自重約（yuē）為１７８Ｎ，進給機構自重約為１６３Ｎ。分別為主軸箱支撐麵和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（de）泊鬆比為０．２７，拉伸強度為（wéi）１５１ＭＮ／ｍ２，抗壓強（qiáng）度（dù）為５７２ＭＮ／ｍ２，如（rú）圖３（ｄ）所（suǒ）示。

５）分析與計算根據設置的參數，采用（yòng）Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ對床身結構進行有限元分析計算，模擬（nǐ）床（chuáng）身在工（gōng）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：床身所受最大應力出現在床身中部，約為４６．２０９１８ｋＰａ；最大應變出現在（zài）床身中部（bù）兩側，變形量約為２．２×１０－４　ｍｍ。

圖４　分析結果

３.結構（gòu）優化

由計算結果可知，床（chuáng）身受到的最大應力（lì）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（yóu）床身結構有限元分析的應力分（fèn）布和應變分布能（néng）夠看出，床身主軸箱（xiāng）安裝（zhuāng）部位的應力和應變都最小，故可作（zuò）為結構優化的重點部位。在有（yǒu）限元分析的基礎上，采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件（jiàn）對結（jié）構進行優化（huà），需（xū）要指定優化的變（biàn）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，故指定床身主軸箱安裝部位的厚度為變量，以安全係數為約束條件，優化求解的目（mù）標（biāo）為質量最小化。床身結構優化設置和結果如圖５所示（shì）。指定變量的初始尺寸為２０ｍｍ，同時（shí）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為２．３。采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ進行優化求解，優化後變量尺寸（cùn）為２７ｍｍ，即主（zhǔ）軸箱安裝部位的厚度減少了（le）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（yōu）化後的床身結構更加合理，降（jiàng）低了成本。

圖５　床身結構優化設置和結果

通過對關鍵部件結構的有（yǒu）限元靜力學分析以（yǐ）及結構優化，使設計方案（àn）更為合理，最終完成了桌麵級車床的（de）設（shè）計，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（jì）方案，能極大提高設計效率。２）采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟（ruǎn）件對結構進行有限元靜力學分（fèn）析，計算出各部件在工作狀態下的應力和應變分布情（qíng）況，供（gòng）設計（jì）者考察結構設計的合理性，同時也為結構優化指明了方向。３）Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件在結構優化（huà）中的應用，能幫助設計（jì）者科學地優（yōu）化其設計方案，以追求結構設計的最優化。

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