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桌麵數控車床結構的優化設計

2017-7-6 來源：四川大學製造科學（xué）與工（gōng）程學院作者：黃紀剛，方輝（huī），蔣滔，董（dǒng）秀（xiù）麗

摘要：針對微小零件的加工製造，設計了１台桌麵級數控（kòng）車床。用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件（jiàn）進行車床的（de）結構設計，重點使（shǐ）用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件中的Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｘｐｒｅｓｓ模塊對車床關（guān）鍵部件（jiàn）的結構進行有限元靜力（lì）學分析，經過計算求解，模（mó）擬出（chū）各部件在實（shí）際工（gōng）作時所受的應力以及應變分布（bù）情況。根據計算結果，對結構進行針對性地優化。在優化的（de）過程中，主要以質量最小化為（wéi）優化目標，使結構在滿足（zú）力學性能的前提下，盡可能輕量化（huà），以降低成本。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（chuáng）；Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ；優化設計；有限元分析

隨著社會的發展，人們趨於追求許多常用產品（pǐn）的小（xiǎo）型化和微型化，製造業將（jiāng）麵臨越來越多加工微小零件（jiàn）的情況［１］。目（mù）前，數控機床作（zuò）為製造業主要的製造設備，具有（yǒu）效率高、加工能（néng）力強等優點，但對於一些價值較（jiào）低的微小零件來說，常規尺度（dù）的數控機床的加工成（chéng）本較高。針對這樣的需求，設（shè）計了１台桌麵級數控車（chē）床，並采用有限元分析方法對（duì）初始設計方案進行了優化。

桌麵級機床的發（fā）展是對製造技（jì）術和（hé）製造裝備的有益補充［２］，它具有體積小（xiǎo）、成本低、結構簡單、傳動效率高等特點，具有廣泛的（de）適用（yòng）性。

１.車（chē）床結構設計

機械結構設計的傳統方法需要大量的手工繪圖（tú），並根據設計者的經驗來確定機械（xiè）零件的（de）結構（gòu）。這種方（fāng）法不僅勞動量大，而且無法科學地考察機（jī）械件結構設計的合（hé）理性，從而難以在（zài）設計初期及時發現設計（jì）的不當（dāng）之（zhī）處，導（dǎo）致出（chū）錯率高，容易造成（chéng）經濟上的浪費。隨（suí）著（zhe）ＣＡＤ軟件的（de）出現和流行，機械結構設計的傳（chuán）統方法逐漸被摒棄，利用功能強大的ＣＡＤ軟件幫助設計人員完成機械結構的設計成為了現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、出錯率高、缺乏力學（xué）驗證等不足，同時也縮短（duǎn）了（le）設計周（zhōu）期、降低了設成本［３］。Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件是目前（qián）行業內主流的ＣＡＤ軟件之一，其功能強大，集三維建模、工程圖製作、虛擬裝（zhuāng）配、運動（dòng）仿真（zhēn）、有限元分析（xī）優化等功能於一體，完全能夠滿足現代機械設計的全部要（yào）求［４］。本文采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件設計了桌麵型車床的結構，設計（jì）流程框圖如圖１所（suǒ）示。

圖１　桌麵型車（chē）床的結構設計流程框（kuàng）圖

設計的桌麵級數控車床（chuáng）的裝配（pèi）體如圖２所示（shì）。其主要技術參數如下：１）床身尺寸為５８０ｍｍ×２６０ｍｍ×１８０ｍｍ，中心高為４０ｍｍ；Ｘ、Ｙ方向行（háng）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方向分別由１對線性導（dǎo）軌實現其進給運動的導向。設（shè）計中選用ＴＨＫ超小化設計的ＲＳＲ係列導軌，其行走平行度精度（dù）可達０．０１７ｍｍ。Ｘ軸導軌選型為（wéi）２ＲＳＲ５Ｎ３００Ｌ，Ｙ軸導軌選（xuǎn）型為２ＲＳＲ３Ｎ１６０Ｌ；選用精密滾珠絲杠作為車床傳動件（jiàn），Ｘ軸絲杠選型為ＢＮＫ１２０２，Ｙ軸絲杠選型為ＢＮＫ１００２。３）主（zhǔ）軸傳動采取傳動比為１∶１．４的同步帶一級傳動（dòng），減少了（le）許多中間傳動機構，降低了傳動的誤差，提高傳動效率；同時，主（zhǔ）軸箱的結構簡單，整體尺寸較小，符合（hé）該桌麵型數控機床的設計理念［５］。

圖２　桌麵（miàn）級（jí）數控車床裝配體（tǐ）的設計原理圖

２.基於Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件的結構（gòu）分（fèn）析

Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件具備優秀的有限元分析能力，可供設計者（zhě）在（zài）製作工程圖進入實際加工之前，對所設計的零部件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、分析計算以及（jí）後處理［６］。前處理包（bāo）括（kuò）建（jiàn）立有限元模型、添加夾具、添加（jiā）載荷以（yǐ）及指定材料；分析計算是軟件（jiàn）根據設置自動進行網格劃分以及計算（suàn）求解（jiě）；後處理則包括計算結果的（de）顯示與（yǔ）分析，檢查其正確性，並可生成分析報（bào）表［７］。通過（guò）有限元對結構進行分析後，采（cǎi）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（jié）構進行分析（xī）及優化的過程。床（chuáng）身是（shì）機床的基礎，本次設計采（cǎi）用的是臥式床（chuáng）身結構（gòu），並（bìng）在床身下方布置排屑孔（kǒng）及排屑槽。床身采用優質（zhì）鑄鐵（tiě）整體（tǐ）鑄造（zào）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（běn）。另外，設（shè）計的床身（shēn）上的所有加（jiā）工表麵均位於鑄造麵上部（bù），使之後的加工更加簡單（dān）；主（zhǔ）軸箱安裝麵與Ｘ方向導軌安（ān）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（tú）３　床（chuáng）身前處理過程（chéng）

１）床身結構的有限元建模圖（tú）３（ａ）為桌麵型車床床身的（de）有限元模型。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螺栓孔，因為這些結構不會對床身整體的質量及力學（xué）性能產生大的影響，忽略這些結構（gòu）能簡（jiǎn）化模型，提高計算速度８］。模型建立（lì）完成後，選擇Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ｘｐｒｅｓｓ插件為床（chuáng）身定（dìng）義算（suàn）例。

２）添加夾具添加夾具即為分析對（duì）象添加固（gù）定約束（shù）。設計的車床通過床身（shēn）底（dǐ）部的４個平麵支撐，指（zhǐ）定（dìng）床身的固定約束，如圖３（ｂ）所示。

３）添（tiān）加載荷床身主要受到主軸箱（xiāng）以（yǐ）及進（jìn）給機構的正（zhèng）壓（yā）力，通過Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ中質量屬性估算出主軸（zhóu）箱自重約為１７８Ｎ，進（jìn）給機構自（zì）重約為１６３Ｎ。分別（bié）為主軸箱（xiāng）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（wéi）灰鑄（zhù）鐵，灰鑄鐵的泊鬆比為０．２７，拉伸強度為１５１ＭＮ／ｍ２，抗壓強度（dù）為５７２ＭＮ／ｍ２，如圖３（ｄ）所示。

５）分析（xī）與計算根據設置（zhì）的參數，采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ對床身結構進行有限元分析計算，模擬（nǐ）床身在工作狀態下所受的（de）應力及其變形情況，如圖４所示（shì）。由結果分析可知：床身（shēn）所受最大應力出現在床身中（zhōng）部，約為４６．２０９１８ｋＰａ；最大應變出現在床身中部兩側，變形量約為２．２×１０－４　ｍｍ。

圖４　分析結果

３.結構優化

由（yóu）計算結果可知，床身受（shòu）到的最大應力遠小（xiǎo）於其拉伸強度，且變形很小，其（qí）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，床身主軸箱安裝部位的（de）應力和應變（biàn）都最小，故可作為結構優化的重點部（bù）位。在有限元分析的基礎上，采（cǎi）用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件對結構（gòu）進行優化，需要指定優化的變量、給定約束條件以及確定優化的目（mù）標。本文主要針對桌麵級車床的輕量化設計（jì），故指定床身主軸箱安裝部（bù）位的厚度為變量，以安全（quán）係數（shù）為約束（shù）條（tiáo）件，優化求（qiú）解的目標為質量最小（xiǎo）化。床身結構優化設置和結果如圖５所（suǒ）示。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（jìn）行優化求解，優化（huà）後變量尺寸為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（guò）比較可知，優化後的床身結構更加合理，降低了成本。

圖５　床身結構優化設置（zhì）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（shǐ）設計方案更為合理，最終完成了桌麵級（jí）車床的設計，並構建（jiàn）了（le）其實體，如圖６所示。

圖６　桌麵級車床實體

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（xiū）改以及表達設計方案，能極大提高設（shè）計效率（lǜ）。２）采用Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ軟件對結構進行（háng）有限元靜力學分析，計算出各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性，同時也為結（jié）構（gòu）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設計方（fāng）案，以追求結構設計的最優化。

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