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桌麵數控車床結構的優化設（shè）計

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

摘要：針對（duì）微小零（líng）件（jiàn）的加（jiā）工製造（zào），設計了１台桌麵級數控車床。用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件進行車床的（de）結（jié）構設計，重點使用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件中（zhōng）的Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｘｐｒｅｓｓ模塊對（duì）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（jiàn）在實際工作時（shí）所受的應力以及應變分布情況。根據計（jì）算結果，對結構進行針對（duì）性地優化。在優化的過程中，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（qīng）量化，以降低成本。最終根據優化後的（de）設計方案構建（jiàn）出桌麵級車床。

關鍵詞：車床；Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ；優化設計；有限（xiàn）元（yuán）分析

隨（suí）著社會的發展（zhǎn），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（duō）加工微（wēi）小零件的情況［１］。目前，數控機床作為製（zhì）造業主要的（de）製造設備，具有效率高、加工（gōng）能力強等（děng）優點，但對於一些價（jià）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（zhēn）對這樣的需求，設計了１台桌麵級數控車床，並采用有限元分析方法對初始設計方案（àn）進（jìn）行了（le）優化。

桌麵級機床的（de）發展是對製造技術和製造裝備（bèi）的有益補充［２］，它具有體積小（xiǎo）、成（chéng）本低、結構簡單、傳動效率高等（děng）特（tè）點，具有廣泛的適用性（xìng）。

１.車床結構（gòu）設計

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（jì）者的經驗來確定機械零件的結（jié）構。這種方法不（bú）僅勞動量大，而且無法科學地考察機械（xiè）件結構設（shè）計的合理性，從而難以在設計（jì）初期及時發現設計的不當之處，導致出錯率高，容易（yì）造成經濟上的浪費。隨著ＣＡＤ軟件的出現和流行，機械結構（gòu）設計的傳統方法逐漸被摒棄，利用功能（néng）強大的ＣＡＤ軟件幫（bāng）助設計人員完成機械結構（gòu）的設計成為了現代機械設（shè）計的主流方法。利用現代ＣＡＤ軟件設計機械結構不（bú）僅能有效地避免勞動量大（dà）、出錯（cuò）率高、缺乏力學驗證等（děng）不足，同時也（yě）縮短了（le）設計周期、降低了設成本［３］。Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件是目前（qián）行（háng）業內主流的ＣＡＤ軟件之一，其功能強大，集三（sān）維建模（mó）、工程圖（tú）製作、虛擬裝配、運動仿真、有限元分析優化等功能於一體（tǐ），完全能夠滿（mǎn）足現代（dài）機械設計（jì）的全部要（yào）求［４］。本文采用（yòng）Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件設計了桌麵（miàn）型車床的結構，設計流程框圖如圖１所示（shì）。

圖１　桌麵型車床的結構設計流程框圖

設計的桌麵級數控車（chē）床的裝（zhuāng）配體如圖２所示。其（qí）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（wéi）２８０、１５０ｍｍ；選用自定心三爪卡盤，其夾持直徑為（wéi）２～２２ｍｍ；２）Ｘ、Ｙ方向分別由１對（duì）線性導軌實（shí）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（liè）導軌，其行走平行度精度可達０．０１７ｍｍ。Ｘ軸導軌（guǐ）選（xuǎn）型為２ＲＳＲ５Ｎ３００Ｌ，Ｙ軸導軌（guǐ）選型為２ＲＳＲ３Ｎ１６０Ｌ；選用精密滾珠絲杠作（zuò）為車床傳動件，Ｘ軸絲（sī）杠選型為ＢＮＫ１２０２，Ｙ軸絲（sī）杠（gàng）選型為ＢＮＫ１００２。３）主軸傳動采取傳動比為１∶１．４的（de）同步帶一級傳動，減少了許多中間（jiān）傳動機構，降低了傳動的誤差，提高（gāo）傳動效（xiào）率；同（tóng）時，主軸箱的結構簡單，整體尺寸較小（xiǎo），符合該桌麵型數控機床的設計理念［５］。

圖２　桌麵級數（shù）控車床裝配體的設計（jì）原（yuán）理圖

２.基於Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件的結構分析

Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件具備優秀的有（yǒu）限元分析能力（lì），可供設計者在製作工程（chéng）圖進入實際（jì）加工（gōng）之前，對所設計（jì）的零部件結構進行科（kē）學地分析並優化求解，以（yǐ）達到結構最優。采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件進行結構有限（xiàn）元分析的一般流程為前（qián）處理、分析計算以及後處理［６］。前處理包括建立有限元模型（xíng）、添加夾具、添加載荷以及指定材料；分（fèn）析計算是軟件根據設（shè）置自動（dòng）進行網格劃分以及計算求解；後處理則包括計算結果的顯示（shì）與分析，檢查（chá）其正確性，並可生成分析報（bào）表（biǎo）［７］。通過（guò）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（huà）。現以床（chuáng）身為例，說明利用該軟（ruǎn）件對結構進行分析及優化（huà）的過（guò）程。床身是機床的基礎，本次設計采用（yòng）的是臥式床身結構，並在（zài）床身（shēn）下方布置排屑孔及排（pái）屑槽。床身采用優質鑄鐵整體鑄造而成，並合理布置筋板，使床身在具有良好剛性的（de）同時，用料（liào）最少，節約成本（běn）。另外，設計的床身上的所有加工表麵均位於鑄造麵上部，使之後的加工更加簡單；主軸箱安裝麵與Ｘ方（fāng）向（xiàng）導軌安裝（zhuāng）麵的基準一致，能有效保證主軸中（zhōng）心（xīn）與Ｘ軸平行。床身（shēn）的前處（chù）理過程如圖３所示。

圖（tú）３　床身前處理過（guò）程

１）床身結（jié）構的有限元建模圖３（ａ）為桌麵型車床床身的有限元（yuán）模（mó）型。建立其床身有限元模型時，忽略了各處的過渡圓角以及床身上的所有（yǒu）螺栓孔，因為（wéi）這些結構不會（huì）對床身整體（tǐ）的質量及力學性能產（chǎn）生大的影響，忽略這些結構能簡化模（mó）型，提高計算速度８］。模型建立完成後，選擇Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｘｐｒｅｓｓ插件（jiàn）為（wéi）床身定義（yì）算例。

２）添加夾（jiá）具添加夾具（jù）即為分析對象添（tiān）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（tú）３（ｂ）所示。

３）添加載荷床身主要受（shòu）到主軸箱以及進給機構（gòu）的（de）正壓力，通過Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ中質量屬性估算出主軸箱（xiāng）自重約為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（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鐵，灰鑄鐵的泊鬆比為０．２７，拉伸強度為１５１ＭＮ／ｍ２，抗壓強度為５７２ＭＮ／ｍ２，如（rú）圖３（ｄ）所示。

５）分析與計算根據設置（zhì）的參數，采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ對床身結（jié）構進行有限元分析計算，模擬床身在（zài）工作狀態（tài）下所受的應力及其（qí）變形情況，如圖４所示（shì）。由結果分析可知：床身所受（shòu）最大應力（lì）出現在床身中部，約為（wéi）４６．２０９１８ｋＰａ；最大應變出現（xiàn）在（zài）床身中部兩側（cè），變形量約（yuē）為２．２×１０－４　ｍｍ。

圖（tú）４　分析結果

３.結（jié）構優化

由計算結果可知，床身受到的最大應力遠（yuǎn）小（xiǎo）於其拉伸強度，且變形很小，其結（jié）構還可進一步優化。由床身結構有（yǒu）限元分析的應力分布和應變分（fèn）布能夠看出，床身主（zhǔ）軸箱安裝部位的應力和應變都最小，故可作為結構優化的重點部位。在有限元分析（xī）的基礎上，采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件對結構（gòu）進行優化，需要指定優化的變（biàn）量、給定約束條件以及確（què）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（shēn）主軸箱安裝部位的厚度為變量，以安全係數為約束條件，優化求解的目標為質（zhì）量最小化。床身結構優化設置和結果如圖５所示。指（zhǐ）定變量的初始尺（chǐ）寸為（wéi）２０ｍｍ，同時人（rén）為（wéi）設置變量（liàng）的上、下限（xiàn）分別為３５和１０ｍｍ，設置的（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，即主軸箱安裝部位的厚度減少了（le）７ｍｍ。床身初始質量約為３２．８６２ｋｇ，優化（huà）後質量約為３０．６７４ｋｇ。通過比（bǐ）較可知，優化後的床身結（jié）構更加合理，降低了成（chéng）本。

圖５　床身結構優化設置和結果（guǒ）

通過對關鍵部件結構的有限元靜力學分析以及結構優化，使設計方案（àn）更為（wéi）合理，最終完成了桌麵級車床（chuáng）的設計，並構建了其實體，如圖６所示。

圖６　桌麵（miàn）級車床實體

４.結論

１）采用（yòng）Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件進行機械結構設計，便於設計者查（chá）看（kàn）、校對、修改以及（jí）表達設計（jì）方案，能極大提高設計效率。２）采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件對（duì）結構進行有（yǒu）限元靜力學分析，計算出各（gè）部件在工作狀態下的應力和應變分布情況，供設計者考察結構設計的合理（lǐ）性，同時也為結構優化指明了方向。３）Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件在結構優化中的應用，能幫助設計者科學地優化其（qí）設計方（fāng）案，以追求結構設計的最優（yōu）化。

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