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桌（zhuō）麵數控（kòng）車床結構（gòu）的優化設計

2017-6-29 來源：四川大學（xué）製造科學與工程學院作者（zhě）：黃紀剛方輝蔣滔董（dǒng）秀麗

摘要：針對微小零件的加工製造，設計了１台桌麵級數控車床。用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件進行車床的結構設（shè）計，重點使用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟（ruǎn）件中的Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｘｐｒｅｓｓ模塊對車床關鍵（jiàn）部件的結構進行有限元靜力（lì）學分析，經過計算求解（jiě），模（mó）擬出（chū）各部件在實際工作時所（suǒ）受的（de）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（huà）的過程中，主要以質量最小化為（wéi）優化目標，使結構（gòu）在滿足力學性能的前提下，盡可能輕量化，以降低成本。最終根據優化後的設（shè）計方案構建出桌麵級車床。

關鍵詞：車床；Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ；優（yōu）化設計；有限（xiàn）元分析

隨著社會的發展，人們趨（qū）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的情況［１］。目前，數控機床作為製造業主要的製造設備，具（jù）有效率（lǜ）高、加（jiā）工能力強等優點，但對於一些價值較低（dī）的微小（xiǎo）零件來說，常（cháng）規（guī）尺度的數控機床的加（jiā）工成本較高。針對這樣的需求，設計了（le）１台桌（zhuō）麵（miàn）級數（shù）控車床，並采用有限（xiàn）元分析方（fāng）法對初始（shǐ）設計方案進行了優化。桌麵級機床的發展是（shì）對（duì）製造技術和製造裝備的有益（yì）補充［２］，它具有體積小、成本低、結構簡單、傳動效率高等特點，具有廣泛的適用性。

１.車床結構（gòu）設計

機械結構設計的傳統方（fāng）法需要（yào）大（dà）量的手工繪圖，並根據設計者的經驗來確定機械（xiè）零件的結構。這種方（fāng）法不僅勞動量大，而（ér）且無法科學地考察機（jī）械件結構設計的合理性，從而難以在設（shè）計初期及時發現設計的不當之（zhī）處，導致出錯率（lǜ）高（gāo），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）的傳統方法逐漸被摒棄，利用功能強大的ＣＡＤ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（shè）計的主流方法。利用現代ＣＡＤ軟件設（shè）計機械結構不僅能有效地避免勞（láo）動量大、出錯（cuò）率高、缺乏力學驗證等不足，同時也縮短了設計周期、降低了設計成（chéng）本［３］。Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件是（shì）目前行業內主流的ＣＡＤ軟件之一，其功能（néng）強大，集三維建模、工程圖製作、虛擬裝配、運動仿（fǎng）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的全部要求［４］。

本（běn）文采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟（ruǎn）件設計了桌麵型車床（chuáng）的結構，設計流程框（kuàng）圖如圖１所示。

圖１　桌麵型車床的結構設計（jì）流程框圖（tú）

設計的桌麵級數控車床的裝配體如圖２所示。其主（zhǔ）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２８０、１５０ｍｍ；選（xuǎn）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超小化設計的（de）ＲＳＲ係列導軌，其行走平行度精（jīng）度可達０．０１７ｍｍ。Ｘ軸（zhóu）導（dǎo）軌選型為２ＲＳＲ５Ｎ３００Ｌ，Ｙ軸導軌選型為２ＲＳＲ３Ｎ１６０Ｌ；選用精密（mì）滾珠絲杠作為（wéi）車床傳動件，Ｘ軸絲杠選型為ＢＮＫ１２０２，Ｙ軸絲杠選型為ＢＮＫ１００２。

３）主軸傳（chuán）動采取傳動比為１∶１．４的同（tóng）步帶（dài）一級傳動，減少了許多（duō）中間傳動機構，降低了傳動的誤差，提高傳動效率；同（tóng）時，主軸箱的結構簡單，整體尺寸較小，符合該桌麵型數控機床的設計理念［５］。

圖２　桌麵級（jí）數控車床裝配體的（de）設（shè）計原理圖

２.基於Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟（ruǎn）件的結構分（fèn）析

Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件具備優秀的有限元分析能力。可供設計者在製作工程圖進入實際（jì）加工之前，對所設計的零部件結構進行科學（xué）地分（fèn）析並優（yōu）化求解，以達到結構最優。采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件進行結構有限元分析（xī）的一般流程為（wéi）前處理、分析計算以及後處理［６］。前處理包括（kuò）建立有（yǒu）限元模型、添加夾具、添加載荷以及指定材（cái）料；分析（xī）計算是軟件根據設置自動進行網格劃分以及計算求解；後處理（lǐ）則包括計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（gòu）進（jìn）行分析後，采用Ｓｏｌｉｄ－ｗｏｒｋｓ軟（ruǎn）件進一步對結構（gòu）進行優化（huà）。現以床身為例，說（shuō）明利用該軟件對結構進行分析及優化（huà）的過程。

床身是（shì）機床的（de）基礎，本次（cì）設計采用的是臥式床身結構，並在床身下方布置排屑孔及排屑槽。床身采用優（yōu）質鑄鐵整體鑄（zhù）造（zào）而成，並合理布（bù）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，使（shǐ）之後（hòu）的加工更加簡單；主軸箱（xiāng）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（zhōng）心與Ｘ軸平行。床身的前處（chù）理過程如圖３所示。

圖３　床身前（qián）處理過程

１）床身結構的有限元建模圖３（ａ）為桌麵型車床床身的有（yǒu）限元模型（xíng）。建（jiàn）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螺栓（shuān）孔，因為這些結構不會對床身整體的質量及（jí）力學（xué）性能產（chǎn）生大的影響，忽略這些結構能簡化（huà）模型，提高計算速度［８］。模型建立完成後，選擇Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｘｐｒｅｓｓ插件為（wéi）床身定義算例。

２）添加夾具添加夾具即（jí）為（wéi）分析對象添加固定約束。設計（jì）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）添加載荷床身主要受到主軸箱以及進給機構的正壓力，通（tōng）過Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ中質量屬性估算出主軸箱自重約（yuē）為１７８Ｎ，進給機構自重約為１６３Ｎ。分別為主軸箱支撐麵和導（dǎo）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（liào）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１５１ＭＮ／ｍ２，抗壓強度為５７２ＭＮ／ｍ２，如圖３（ｄ）所示。

５）分析與（yǔ）計（jì）算根據設置的參數，采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ對床身（shēn）結構進行有限元分析計算，模擬床身在工作狀態下所受的應力及（jí）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４６．２０９　１８ｋＰａ；最大應變出現在床身中（zhōng）部兩側，變形（xíng）量（liàng）約為２．２×１０－４ｍｍ。

圖（tú）４　分析結（jié）果

３.結構（gòu）優化

由計算結果可知，床身受到的最大應力遠小於其（qí）拉伸強度，且變形很小，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（yīng）變分布能夠看出，床身主軸箱安裝部位的應（yīng）力和應變都最小，故可作為結構優化的重點部位。在有限元（yuán）分析的基（jī）礎上，采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件對結構進行優化，需要指定優化（huà）的變量、給定約束條（tiáo）件（jiàn）以及（jí）確定優化的目標。本文主要針對桌麵（miàn）級車床（chuáng）的輕量化設計，故指定床身主軸箱安裝部位的厚（hòu）度為變量，以安（ān）全係數為約束條件（jiàn），優化求（qiú）解（jiě）的目標為質量最小化。床身結構優化設置（zhì）和結果如圖５所（suǒ）示。指定變量的初始尺寸為２０ｍｍ，同時人為設置（zhì）變量的上、下限分別為３５和１０ｍｍ，設（shè）置的最小安全係數為２．３。采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ進行優化求解（jiě），優化後（hòu）變量尺寸為２７ｍｍ，即主軸箱安裝部位的厚度（dù）減少了７ｍｍ。床身初始（shǐ）質（zhì）量約為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。