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桌麵數控（kòng）車床結構（gòu）的優化設計

2017-6-29 來源（yuán）：四川大學製造科學與工程學院作者：黃紀（jì）剛方輝蔣滔董秀麗

摘要（yào）：針對（duì）微小零件的加工製造，設計了１台桌麵級數控車（chē）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（kuài）對車床關鍵部件的結構進行有限元靜力學分（fèn）析，經過計算求解，模（mó）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（gòu）進行針對性地優化。在優化的過程中，主要以質（zhì）量最小化為優化目標，使結構在滿足力（lì）學性能的前提下（xià），盡可能輕量化，以（yǐ）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；優化設計（jì）；有限元分析

隨著社會的發展（zhǎn），人們趨於追求許（xǔ）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的情況［１］。目前，數控機床（chuáng）作為製造業主要的製造設（shè）備，具有效（xiào）率（lǜ）高、加工能力強等優點，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。針對這樣的需求，設計了１台桌麵級數控車（chē）床，並采用有限元分析（xī）方法對初始設計方案進（jìn）行了優化。桌麵級機床的發展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（dī）、結構簡單、傳動效率（lǜ）高（gāo）等特點，具有廣泛的適（shì）用性。

１.車床結構設計

機械結構設計的傳統（tǒng）方法（fǎ）需要大量的手工繪圖（tú），並根據設（shè）計者的經驗來（lái）確定機械零件的（de）結構。這種方法不僅（jǐn）勞動量大，而且無法科學地考察機械件（jiàn）結構設計的合理性，從而難以在設計初期（qī）及時發現設計（jì）的不當之處，導致出錯率高，容易造成經濟上的浪費。隨著ＣＡＤ軟件的出現和流行，機械結構設計（jì）的（de）傳統方法逐漸被摒棄，利用功能強大的ＣＡＤ件幫助設計人員（yuán）完成機械結構的設計成為了現代機械設計的主（zhǔ）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、出錯率高、缺乏力（lì）學驗（yàn）證等不足，同時也縮（suō）短了設計周期、降低了設計成本［３］。Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件是目前行業內主流的ＣＡＤ軟（ruǎn）件之一，其功能強大，集三維建模、工程圖製（zhì）作、虛擬裝配、運動（dòng）仿（fǎng）真、有限元分析優化等功能於（yú）一體，完全能夠滿足現代機械設計的全（quán）部要求（qiú）［４］。

本文采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件設（shè）計了桌麵型車床的結構，設（shè）計流程框圖如圖１所示。

圖１　桌麵型車床（chuáng）的結構設計（jì）流程框圖

設計的桌（zhuō）麵級數（shù）控（kòng）車床的裝配體如圖（tú）２所示。其主要技術參數如下（xià）：

１）床身尺寸為５８０ｍｍ×２６０ｍｍ×１８０ｍｍ，中（zhōng）心高為（wéi）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（fāng）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（shè）計的ＲＳＲ係列導軌，其行（háng）走平行度精度可達０．０１７ｍｍ。Ｘ軸導軌選型（xíng）為２ＲＳＲ５Ｎ３００Ｌ，Ｙ軸導軌選型為２ＲＳＲ３Ｎ１６０Ｌ；選用精密滾珠（zhū）絲杠作為車床傳動件，Ｘ軸絲杠選（xuǎn）型為ＢＮＫ１２０２，Ｙ軸絲杠選型為ＢＮＫ１００２。

３）主軸傳動采取傳動比為１∶１．４的同步帶一級傳動，減少了許多中（zhōng）間（jiān）傳動機構，降（jiàng）低了傳動的誤差，提高傳動效率；同時，主軸箱的結構簡單，整體尺寸較（jiào）小，符合該桌麵型數控機床的設計理念［５］。

圖（tú）２　桌麵（miàn）級數（shù）控車床裝配體的設計原理圖

２.基於Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件的結構分析

Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件具備優秀的有限元（yuán）分析能（néng）力。可供設計（jì）者在製作工程圖進入實際加工之前，對所設（shè）計的零（líng）部件結構進行科學地分析並優化求解，以達到結構（gòu）最優。采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件進（jìn）行結構有限元分（fèn）析（xī）的一般流程為前處理、分（fèn）析（xī）計算以及後處（chù）理［６］。前處理包括（kuò）建立有限元（yuán）模型、添加夾具、添加載荷以及指定材料（liào）；分析計算是軟件根（gēn）據設置自動進行網格劃分以（yǐ）及計算求解；後（hòu）處理則包括計（jì）算結果的顯示與分析，檢查其正確（què）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（yòng）Ｓｏｌｉｄ－ｗｏｒｋｓ軟件進一步（bù）對結構進行優化。現以床身（shēn）為例（lì），說明利用該軟（ruǎn）件對結構進行分析及優化的過程。

床身是機床的基礎，本次設計采用的是臥式床身結構，並在床身下方布置排屑（xiè）孔及排屑（xiè）槽。床身采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時，用料最少，節約成本。另外，設計的床身上的所有加工表麵均位於鑄造麵上部（bù），使之後的加工更加簡單；主軸箱安裝麵與Ｘ方向導軌安裝麵的基準一致，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　床身前處理過程（chéng）

１）床身結構的有限元建模圖３（ａ）為桌麵（miàn）型（xíng）車床床身的有限元模型。建立其床身有限元模型時，忽略了各處的過渡（dù）圓角以及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及力學性能產生大的影響，忽略這些結構能簡化模型，提高（gāo）計算速度［８］。模型建立完成後，選擇Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｘｐｒｅｓｓ插件為床（chuáng）身定義算（suàn）例。

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

３）添加（jiā）載荷床身主要受到主軸箱以及（jí）進給機構的正壓力，通過Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ中質量屬性（xìng）估（gū）算出主軸箱自重約為１７８Ｎ，進給機構（gòu）自（zì）重約為１６３Ｎ。分別（bié）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）指定材料指定床身材料為灰鑄鐵，灰鑄（zhù）鐵的泊鬆比為０．２７，拉伸強度為（wéi）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參（cān）數，采（cǎi）用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ對床身結構進行有限元分析計算，模擬床身（shēn）在工作狀態（tài）下所受的應力及其（qí）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（xiàn）在床身中（zhōng）部，約為４６．２０９　１８ｋＰａ；最大應（yīng）變出現在床身（shēn）中部兩側，變形量約（yuē）為２．２×１０－４ｍｍ。

圖４　分析結果（guǒ）

３.結構優化

由計算結果可知，床身受到的最大應力遠小於其拉伸強度，且（qiě）變形很小，其結構還可進一步優化。由床身結構有限元分析的應力分布和應變分布能夠看出，床身主（zhǔ）軸箱安裝部位的應力和應變都最小，故可（kě）作（zuò）為結構優化的重點（diǎn）部位。在有限元分析的（de）基礎上，采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件對結構進行優化，需要指定優化的變（biàn）量、給定約（yuē）束條（tiáo）件以及確定（dìng）優化的目標。本文（wén）主要針（zhēn）對桌麵級車床的輕量化設（shè）計，故指定床身主軸箱安裝部位的厚度為變（biàn）量，以安全係數為約束條件，優化求解的目（mù）標為質量最小化。床身（shēn）結構優（yōu）化設置和結果如圖（tú）５所示。指定變量的（de）初始尺寸為２０ｍｍ，同時人為（wéi）設置變量的（de）上、下限分別為３５和１０ｍｍ，設置的最小（xiǎo）安全係數為２．３。采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ進行優化求解，優化後變（biàn）量尺寸為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（huà）後質量約為３０．６７４ｋｇ。通過比較可知，優化後的床身（shēn）結構更加合理，降低了成（chéng）本。