桌麵數控車床（chuáng）結構的優化（huà）設計（jì）-數控機（jī）床市場網

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桌麵數控車床（chuáng）結構的優化設計

2017-6-29 來源：四川大學製造科學與工程學院作者：黃紀剛方輝蔣（jiǎng）滔董秀（xiù）麗

摘要：針對微小零（líng）件（jiàn）的加工製造，設計了１台桌麵級數控（kòng）車床。用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件進行車床的結構設計（jì），重點使（shǐ）用（yòng）Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件中的Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｘｐｒｅｓｓ模（mó）塊對車床關鍵部件的結構進行有限（xiàn）元靜力學分析，經過計算求解，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（dì）優化。在優化的過程中，主要以（yǐ）質量最小化為優化目標，使結構在滿足（zú）力學性（xìng）能的前提（tí）下，盡可能輕量化，以降低成本。最終根據優化後的設計方案（àn）構（gòu）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（de）發展，人們趨於追求許多常用產品的小型化和微型化，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（kòng）機床作為製造業（yè）主要的製（zhì）造設備，具有效率高、加工能力（lì）強等優點（diǎn），但對於一些價值較低的（de）微小零件來說（shuō），常規尺度的數控機床（chuáng）的（de）加工成（chéng）本較高。針對這樣的需求，設計了１台桌麵級（jí）數控車床，並采用有限元分析（xī）方法對初始設計方案進行了優化。桌麵級機（jī）床的發展（zhǎn）是對製造技術和製造裝備的有益補充［２］，它具有體積小、成本低、結構簡單（dān）、傳動效率高等特點，具有廣泛的適用性。

１.車床結構設計（jì）

機械結（jié）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（jī）械零件的結構。這種方法不僅勞（láo）動量大，而且（qiě）無法科學地（dì）考（kǎo）察機（jī）械件結構設計的（de）合理性，從而（ér）難以在設計初（chū）期及時發現設計的（de）不當之處，導致出錯（cuò）率高，容（róng）易造成（chéng）經濟上的浪費。隨著ＣＡＤ軟件的（de）出現和流（liú）行，機械（xiè）結構設計的傳統方法（fǎ）逐漸被摒棄，利用功能強大的ＣＡＤ件幫助（zhù）設計人員完成機（jī）械結（jié）構的設計成為了現代（dài）機（jī）械設（shè）計的主流方法（fǎ）。利用現代ＣＡＤ軟件（jiàn）設（shè）計機械結構（gòu）不僅能有效地避（bì）免勞動量大、出錯率高（gāo）、缺乏（fá）力學驗證等不足（zú），同（tóng）時也縮（suō）短了設計周期、降低了設計成本［３］。Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件是目（mù）前行業內主流的ＣＡＤ軟件之一，其功能強大，集三維（wéi）建模、工程圖製（zhì）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（jì）的全部要求［４］。

本文采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件設計（jì）了（le）桌麵（miàn）型車床的結構（gòu），設計流程框圖如圖１所示。

圖１　桌麵型車（chē）床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（gāo）為４０ｍｍ；Ｘ、Ｙ方向行程分（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對線性導軌實現其進給運動的導向。設計中選用ＴＨＫ超小化設（shè）計的ＲＳＲ係（xì）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（dǎo）軌選型為２ＲＳＲ３Ｎ１６０Ｌ；選用精密滾珠絲（sī）杠作為車床傳動件，Ｘ軸絲（sī）杠選型為ＢＮＫ１２０２，Ｙ軸（zhóu）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（zhōng）間傳動機構，降（jiàng）低了傳動的誤差，提（tí）高傳動效（xiào）率；同時，主軸箱的結構簡單，整體尺寸較小，符合（hé）該（gāi）桌（zhuō）麵型數控機床的設計（jì）理念［５］。

圖２　桌麵級數控車床裝配體的設計（jì）原理圖

２.基於Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件的結構分析

Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件具備優秀的有限元分析（xī）能（néng）力。可供設計者在製作工（gōng）程圖進入實際（jì）加工之前，對所設計的零部件結構進行（háng）科學地（dì）分析並（bìng）優化求解，以達（dá）到結構最優。采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟（ruǎn）件進行結構有限元（yuán）分（fèn）析的一（yī）般流程為前處理、分析計算以及後處理［６］。前（qián）處理包括建立有限元模型、添加夾具、添加載荷以及指定材料；分析計算是軟件根據設置自動進（jìn）行網格劃分以及計（jì）算求解；後處（chù）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（duì）結構（gòu）進行分析後，采用Ｓｏｌｉｄ－ｗｏｒｋｓ軟件進一步對結構進行優化。現以床身為（wéi）例，說明利用該軟件對結構進（jìn）行分析及優化的過程。

床身是機床的基礎，本次設計（jì）采用的（de）是臥式床身結構，並在床身（shēn）下方布置排屑孔及排屑槽。床身采用優質鑄鐵整體鑄造而成，並合理布置筋板，使床（chuáng）身在具（jù）有良好剛性的同時，用料最少（shǎo），節約成本。另外，設計的床身上的所有加工表麵（miàn）均位於鑄造（zào）麵上部（bù），使之後的加工更加（jiā）簡單（dān）；主軸箱安裝麵與Ｘ方向導軌安裝麵的基準（zhǔn）一致，能有效保證主軸中心與Ｘ軸平行。床身的前處理過程如圖３所示。

圖３　床（chuáng）身前處理過程（chéng）

１）床身結構的有限元建模圖３（ａ）為桌麵型車床床身的有限元（yuán）模型。建立其床身有限元模型時，忽略（luè）了各處的過渡圓（yuán）角以及床（chuáng）身上的所有螺栓孔，因為這些結構不會對床身整體的質量及（jí）力學性能產生大的影響，忽略這些結（jié）構（gòu）能簡化模型，提（tí）高計算速（sù）度（dù）［８］。模型建立完成（chéng）後，選擇Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｘｐｒｅｓｓ插件為（wéi）床身定義算例。

２）添加夾具添加夾具即為分析對象添加固（gù）定約束。設計的車床通過床身底（dǐ）部的４個（gè）平麵支撐，指定床（chuáng）身的固定（dìng）約束（shù），如圖３（ｂ）所示。

３）添加載荷床（chuáng）身主要受到主（zhǔ）軸箱以及進給機構（gòu）的正壓力（lì），通過Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ中質量屬性估算出主軸箱自重約為１７８Ｎ，進給機構自重約為１６３Ｎ。分別（bié）為主軸箱支（zhī）撐麵和導軌安裝麵（miàn）添（tiān）加正壓力為１４．３５０、１３．００８ｋＰａ，如圖３（ｃ）所示。

４）指定材料指定（dìng）床身材料為灰鑄（zhù）鐵，灰鑄鐵的（de）泊鬆比為０．２７，拉伸強度為１５１ＭＮ／ｍ２，抗壓強度為５７２ＭＮ／ｍ２，如圖３（ｄ）所示。

５）分析與計算根據設置的（de）參數，采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ對床（chuáng）身結構（gòu）進行有（yǒu）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（shì）。由結果分析可知：床身所（suǒ）受最大應力出現在床身中部（bù），約為４６．２０９　１８ｋＰａ；最大應變出現在床身中部兩側，變形量約為２．２×１０－４ｍｍ。

圖４　分析結果

３.結構優（yōu）化

由（yóu）計算結果可知，床身受到的最大應力遠小於（yú）其拉伸強度，且變形很小，其結構還可進一步優化。由床身（shēn）結構有（yǒu）限元分析的應力分（fèn）布（bù）和應變分（fèn）布能夠看（kàn）出，床身主軸箱（xiāng）安裝部位的應力和應變都最小，故可作為結構優化的（de）重點部（bù）位。在有限元分析的基礎上，采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件對結構進行優化，需要指定優化的變量、給定約束條件以及確定優（yōu）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（yuē）束條件，優化求解的目標為質量（liàng）最小化。床身結構優（yōu）化設置和結果如圖５所示。指定變量的初（chū）始尺（chǐ）寸為２０ｍｍ，同時人為設置變量（liàng）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（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（gèng）加合理，降低了成本。