《大型龍門機床滑枕的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計及有限元分析【含全套CAD圖紙說明書】》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《大型龍門機床滑枕的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計及有限元分析【含全套CAD圖紙說明書】（30頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、大型龍門機床滑枕的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計及有限元分析摘要大型龍門機床具有加工跨距大、加工效率高等特點，適用于大尺寸零件的高精度加工，在航空、船舶、汽車等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。橫梁是龍門機床的主要支承部件，其結(jié)構(gòu)和靜力學(xué)特性直接影響機床的加工精度。本課題針對陜西漢川機床有限公司正在研發(fā)的某型定梁龍門機床，應(yīng)用SolidWorks軟件對其滑枕進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)設(shè)計，然后應(yīng)用ANSYS軟件，對其進(jìn)行靜力特性分析，計算滑枕在切削力和自重作用下的變形和應(yīng)力，驗證設(shè)計是否滿足機床的精度要求，并繪制設(shè)計圖紙。SolidWorks軟件是世界上第一個基于Windows開發(fā)的三維CAD系統(tǒng)。資料顯示，目前全球發(fā)放的SolidWorks軟

2、件使用許可約28萬，涉及航空航天、機車、食品、機械、國防、交通、模具、電子通訊、醫(yī)療器械、娛樂工業(yè)、日用品/消費品、離散制造等分布于全球100多個國家的約3萬1千家企業(yè)。在教育市場上，每年來自全球4，300所教育機構(gòu)的近145，000名學(xué)生通過SolidWorks的培訓(xùn)課程。ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Creo,NASTRAN, Alogor, IDEAS,AutoCAD等， 是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中高級CAE工具之一。關(guān)鍵詞滑枕、靜力特性、

3、分析、SolidWorks、ANSYSThree-dimensional structure of large gantry machine ram design and Their Finite Element analysisAbstract:Large gantry machines with processing large span, high efficiency machining for large size precision machining parts, widely used in aviation, marine, automotive and other fiel

4、ds. Beam gantry machine is the main support member, the structure and static mechanical properties directly affect the machining accuracy.The topic for the Shaanxi Hanchuan Machine Tool Co. is developing a fixed-beam gantry machine tool, SolidWorks software applications designed for its three-dimens

5、ional structure of the ram, and then using ANSYS software, its static characteristics analysis to calculate the cutting force ram and deformation and stress under its own weight, to verify whether the design meets the accuracy requirements of the machine, and draw the design drawings.SolidWorks soft

6、ware is the worlds first Windows-based development of three-dimensional CAD system. Statistics show that the current global release of SolidWorks software licenses to about 280,000, involving aerospace, locomotive, food, machinery, defense, transportation, mold, telecommunications, medical equipment

7、, entertainment industry, commodity / consumer products, discrete manufacturing, global distribution more than 100 countries around 30,001 thousand enterprises. In the education market, each year nearly 145,000 students from 4,300 educational institutions worldwide through SolidWorks training course

8、s.ANSYS software is the financial structure, fluid, electric, magnetic, acoustic analysis in one of the large general-purpose finite element analysis software. United States developed the worlds largest ANSYS finite element analysis software from one company, it interfaces with most CAD software, sh

9、aring and exchange of data, such as Creo, NASTRAN, Alogor, I-DEAS, AutoCAD, etc., is a modern product design one senior CAE tools.Key words：Ram, static characteristics, analysis, SolidWorks, AN 1引言1.1大型龍門銑床的概述龍門銑床簡稱龍門銑，是具有門式框架和臥式長床身的銑床。龍門銑床上可以用多把銑刀同時加工表面，加工精度和生產(chǎn)效率都比較高，適用于在成批和大量生產(chǎn)中加工大型工件的平面和斜面。數(shù)控龍門銑床

10、還可加工空間曲面和一些特型零件。龍門銑床由門式框架、床身工作臺和電氣控制系統(tǒng)構(gòu)成，龍門銑床具有足夠的剛性，效率高，操作方便，結(jié)構(gòu)簡單，性能全面性等特點。但是在內(nèi)外熱源的影響下，龍門銑床各部件將發(fā)生不同程度的熱變形，使工件與刀具之間的相對運動關(guān)系遭到破環(huán)，對于龍門銑床來說，因為全部加工過程是計算的指令控制的，熱變形的影響就更為嚴(yán)重。 1.1.1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀我國龍門銑床產(chǎn)品的發(fā)展大致分為兩個階段。第一階段在六十年代初至八十年代初，當(dāng)時國內(nèi)生產(chǎn)龍門銑床的廠家只有北一、武重等少數(shù)幾家，產(chǎn)品多為加工寬度l米至2米的普通龍門銑床。后經(jīng)過調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，開始試制數(shù)控龍門銑床。第二階段從八十年代初改革開放至今

11、，通過引進(jìn)、消化吸收國外先進(jìn)技術(shù)或與國外技術(shù)先進(jìn)廠家合作生產(chǎn)，國內(nèi)生產(chǎn)數(shù)控龍門鏜銑床的廠家數(shù)量增多，產(chǎn)品規(guī)格增大，技術(shù)水平提高。21世紀(jì)的近十年間是我國機床行業(yè)發(fā)展最快速的時期，由于國家很多重點大型工程的開展，各行業(yè)對于大型、重型、超重型龍門加工中心和數(shù)控龍門鏜銑床的需求量增加，從而大大促進(jìn)了該行業(yè)的快速發(fā)展。從第十一屆中國國際機床展（CIMT2009)中，我們可以看到到國內(nèi)龍門銑床的發(fā)展?fàn)顩r：本次展出了整機重量超過100T的超重型龍門加工中心和數(shù)控龍門鏜銑床的國內(nèi)公司有8家之多，分別是沈一、中捷、武重、濟二、大連機床、桂林、日發(fā)、海天等。 1.1.2國外的研究概況上世紀(jì)80年代歐美日等先進(jìn)工

12、業(yè)國家先后完成了數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)進(jìn)程。并致力于科技創(chuàng)新和新產(chǎn)品的研發(fā)。美國英格索爾公司和德國惠勒喜樂公司引導(dǎo)用于汽車工業(yè)和航空工業(yè)高速數(shù)控銑床的發(fā)展，日本牧野公司在高效精密加工中心方面做出了巨大貢獻(xiàn)，德國瓦德里希公司側(cè)重于重型龍門五面加工銑床的開發(fā)，日本馬扎克公司研發(fā)的車銑中心推進(jìn)了對高效復(fù)合加工機床的發(fā)展。如今五軸聯(lián)動數(shù)控機床代表了數(shù)控機床發(fā)展的最高水平，五軸聯(lián)動數(shù)控機床的發(fā)展重點是：高速、高精度、環(huán)保、智能、復(fù)合化。其中數(shù)控龍門加工中心成為多家國際公司研究的重點。德國茲默曼公司推出的FZ100六軸數(shù)控龍門銑床配備采用配備3根回轉(zhuǎn)軸的M3 ABC銑頭顯著地提高數(shù)控銑床在加工盒狀工件和模具時的生產(chǎn)

13、效率。美國Ingersoll公司的7m龍門移動式龍門銑采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，同步誤差只有0.0025-0.035mm。日本大隅的NCR-A56五軸動梁龍門加工中心主軸采用氣浮結(jié)構(gòu)最高轉(zhuǎn)速達(dá)4000r/min，采用完全熱對稱結(jié)構(gòu)使機床熱變形控制在10m以下，大大提高機床加工精度。1.2研究的目的及主要內(nèi)容1.2.1研究的目的針對陜西漢川機床有限公司正在研發(fā)的某型定梁龍門機床，應(yīng)用SolidWorks軟件對其滑枕進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)設(shè)計，然后應(yīng)用ANSYS軟件，對其進(jìn)行靜力特性分析，計算滑枕在切削力和自重作用下的變形和應(yīng)力，驗證設(shè)計是否滿足機床的精度要求。本課題通過對各種龍門銑床的分析研究，將對龍門移動式龍門

14、銑床的橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的、具有改進(jìn)性的設(shè)計。除此之外，還將利用三維建模軟件SolidWorks對所有的零部件做實體建模、模擬裝配和運動仿真。Solidworks是基于特征的實體造型軟件，建立的三維模型比二維平面圖更加直觀、清晰。最重要的是，可以利用裝配模型可以進(jìn)行后續(xù)的裝配干涉分析、運動仿真模擬、物性分析、有限元分析、數(shù)控代碼生成等，還可以在裝配環(huán)境中對零件進(jìn)行設(shè)計、編輯、修改。利用這些功能，能有效避免產(chǎn)品設(shè)計中經(jīng)常帶來的尺寸不匹配，零件干涉等問題。1.2.2研究的主要內(nèi)容（1）搜集并閱讀與本課題有關(guān)的資料； （2）了解大型龍門機床的結(jié)構(gòu)組成和工作原理； （3）應(yīng)用SolidWorks軟

15、件對某型龍門機床滑枕進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)設(shè)計。然后應(yīng)用ANSYS軟件，對其進(jìn)行靜力特性分析，計算滑枕在切削力和自重作用下的變形和應(yīng)力，驗證設(shè)計是否滿足機床的精度要求，并繪制設(shè)計圖紙。（4）設(shè)計成果：設(shè)計說明書一份；滑枕三維結(jié)構(gòu)圖；二維零件圖。1.3研究的意義 隨著國內(nèi)經(jīng)濟建設(shè)的快速發(fā)展，工業(yè)企業(yè)的不斷發(fā)展壯大，大型箱體類零件的加工已成為國內(nèi)急需解決的關(guān)鍵性問題，要求機床生產(chǎn)廠家發(fā)展能夠制造大型箱體類件加工的落地式鏜銑機床，以滿足國內(nèi)重型機械、工程機械、機車車輛、大型電機、水輪機、汽輪機、船舶、核電、大型環(huán)保設(shè)備等市場發(fā)展的需要，加之其它重型機械行業(yè)發(fā)展的需求，我們可以預(yù)見其廣闊的市場前景，由此也可見其

16、在國民經(jīng)濟發(fā)展中的所起到的重要作用及所處的重要地位。同時為應(yīng)對當(dāng)前金融危機，國家制訂并出臺了裝備制造業(yè)振興規(guī)劃，其中一大領(lǐng)域的重大科技專項就將大型數(shù)控機床列為振興規(guī)劃發(fā)展的重大裝備，這意味著重型數(shù)控機床行業(yè)面臨著一次發(fā)展的機遇，當(dāng)然也是一次挑戰(zhàn)。這項文件是繼“高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備科技重大專項”之后的又一次將大型數(shù)控機床列入我國未來幾年的振興規(guī)劃目標(biāo)。這項舉措既表明了國家對重型機床裝備制造的高度重視，又體現(xiàn)了重型機床在國家裝備制造業(yè)中的重要戰(zhàn)略地位。通過對國內(nèi)用戶廠家的調(diào)研了解，多數(shù)用戶仍采用國外的機床、工裝外協(xié)加工零件，生產(chǎn)效率低，成本高，生產(chǎn)周期長，運輸限制等，許多廠家的設(shè)備急待增添和

17、重新改造，如中船南京綠洲、廣州船廠、中國一重、中國二重、東方電機、太原重工、江南重工、上海汽輪機廠等廠家都表示急需國產(chǎn)大型數(shù)控落地式鏜銑機床。目前，多數(shù)廠家資金有限，希望少花錢多辦事，且希望售后服務(wù)及時周到，而在價格方面，國產(chǎn)數(shù)控落地式鏜銑機床只有國外同類產(chǎn)品的 1/32/3。因此大型落地鏜銑（加工中心）的技術(shù)研發(fā)，在國內(nèi)有著廣闊的市場和發(fā)展前景?！案邫n數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備”已被科技部列為重大科技專項，其目標(biāo)是到 2020 年，形成自主開發(fā)能力；總體技術(shù)水平進(jìn)入國際先進(jìn)行列，部分技術(shù)水平國際領(lǐng)先；研究開發(fā)出若干具有原創(chuàng)性的重大產(chǎn)品和技術(shù)；滿足國內(nèi)主要行業(yè)對制造裝備的基本需求。大型數(shù)控落地鏜銑

18、床作為機械裝備母機，在造船、工程機械、航空航天、汽車、鐵路、電力設(shè)備、風(fēng)電設(shè)備、動力設(shè)備、制冷設(shè)備、石化設(shè)備等方面均有著不可替代的作用。目前汽車行業(yè)前景樂觀，但是對機床需求并沒有隨著汽車數(shù)量的上升而上揚，中國汽車工程學(xué)會裝備部部長陳長年就汽車發(fā)展對機床裝備需求認(rèn)為：“汽車制造水平質(zhì)量取決于裝備水平，同時，汽車工業(yè)國際競爭又取決于裝備先進(jìn)性制造成本。”航空航天作為我國高科技水平的代表產(chǎn)業(yè)同樣對制造技術(shù)水平要求很高。航空航天產(chǎn)業(yè)中對產(chǎn)品零件的要求不同于一般工業(yè)的要求，其產(chǎn)品往往具備耐高溫、高強度、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、低振動、多工藝要求等特點，這就促使機床加工設(shè)備向大重型、高速、精密、智能化等趨勢發(fā)展。特別是

19、航空發(fā)動機及其零部件的加工對數(shù)控機床的要求最為苛刻，精度、振動、轉(zhuǎn)速等各方面要求都較為嚴(yán)格，因此數(shù)控立車、數(shù)控精密鏜銑五軸加工中心等機床應(yīng)運而生。發(fā)電工業(yè)同樣成為機床重點服務(wù)的行業(yè)，其對機床的需求主要是：發(fā)電機和汽輪機的轉(zhuǎn)子需求數(shù)控重型臥式車床、數(shù)控葉根槽銑床，定子需求大型數(shù)控落地銑鏜銑床、數(shù)控龍門鏜銑床等等。結(jié)合以上調(diào)查可以發(fā)現(xiàn)制造裝備特別是大型數(shù)控落地鏜銑床在軍用、民用產(chǎn)業(yè)方面的重大作用，因此對其進(jìn)行專業(yè)方面的研究，使此項技術(shù)能盡早投入生產(chǎn)轉(zhuǎn)化成生產(chǎn)力是非常有必要的。1.4大型龍門銑床簡介龍門銑床簡稱龍門銑，是具有門式框架和臥式長床身的銑床。龍門銑床上可以用多把銑刀同時加工表面，加工精度和

20、生產(chǎn)效率都比較高，適用于在成批和大量生產(chǎn)中加工大型工件的平面和斜面。數(shù)控龍門銑床還可加工空間曲面和一些特型零件。1.5大型龍門銑床的分類按龍門架是否移動，分為龍門固定工作臺移動式（約占90%以上）和龍門移動式（又稱橋式）。橋式龍門銑的特點是占地面積小，承載能力大，龍門架行程可達(dá)20米，便于加工特長或特重的工件。按橫梁是否在立柱上運動，分為動梁式和定梁式兩種；橫梁在高架床身上移動稱為高架式。下圖2.1所示為意大利因賽橋式龍門銑圖2.1 意大利因賽橋式龍門銑1.6大型龍門銑床的結(jié)構(gòu)龍門銑床由門式框架、床身工作臺和電氣控制系統(tǒng)構(gòu)成。如下圖2.2所示圖2.2 龍門銑床結(jié)構(gòu)圖門式框架由立柱和頂梁構(gòu)成，中

21、間還有橫梁。橫梁可沿兩立柱導(dǎo)軌作升降運動。橫梁上有12個帶垂直主軸的銑頭，可沿橫梁導(dǎo)軌作橫向運動。兩立柱上還可分別安裝一個帶有水平主軸的銑頭，它可沿立柱導(dǎo)軌作升降運動。這些銑頭可同時加工幾個表面。每個銑頭都具有單獨的電動機（功率最大可達(dá)150千瓦）、變速機構(gòu)、操縱機構(gòu)和主軸部件等。臥式長床身上架設(shè)有可移動的工作臺，并覆有護(hù)罩。加工時，工件安裝在工作臺上并隨之作縱向進(jìn)給運動。龍門銑床還有一些變型以適應(yīng)不同的加工對象。龍門鏜銑床：橫梁上裝有可銑可鏜的銑鏜頭，其主軸（套筒或滑枕）能作軸向機動進(jìn)給并有運動微調(diào)裝置,微調(diào)速度可低至5毫米/分?？蛇M(jìn)行鏜孔及銑削作業(yè)。龍門鉆銑床：橫梁上裝有動力頭，通過接桿裝

22、鉆頭或銑刀，可完成鉆孔及銑削作業(yè)。龍門銑床床身上裝設(shè)有X軸導(dǎo)軌，龍門銑床工作臺跨越緊固在該床身上。工作臺上方活動跨越架設(shè)有龍門架，龍門架還包括有：龍門架拖板，龍門架拖板活動夾持于該X軸導(dǎo)軌上。Z軸導(dǎo)軌，裝設(shè)于龍門架上。橫梁，該橫梁裝設(shè)有一Z軸拖板，橫梁通過該Z軸拖板而活動夾持于該Z軸導(dǎo)軌上，橫梁上還裝設(shè)有Y軸導(dǎo)軌。銑削裝置，龍門銑床銑削裝置活動裝設(shè)于該Y軸導(dǎo)軌上，使該龍門架在數(shù)控電路控制系統(tǒng)的控制下，作X、Y、Z三軸的立體空間銑削加工。該數(shù)控龍門銑床具有高精度的銑、鉆、鏜、削等操作。1.7大型龍門銑床的性能特點龍門銑床具有足夠的剛性，效率高，操作方便，結(jié)構(gòu)簡單，性能全面性等特點。其具體的性能特

23、點根據(jù)種類、型號以及廠家各有不同，與所采用的技術(shù)有很大關(guān)系。 以之前提到的SK系列三軸數(shù)控龍門銑為例，其性能特點在于：1.立銑頭配置TX400重型龍門銑頭，雙矩形導(dǎo)軌，剛性強；2. 銑頭裝滾珠絲杠、氣動拉刀裝置、有伺服電機驅(qū)動；3. 側(cè)銑頭配置V5型龍門銑頭，加裝獨立潤滑裝置，升降由普通減速機傳動，變頻調(diào)速；4. 普銑/數(shù)控銑一鍵式轉(zhuǎn)換三軸數(shù)控系統(tǒng)，即可編程操作又能利用擴展面板手動操作，在實際機械加工過程中實現(xiàn)性極強；5. 床身進(jìn)退、橫梁上下、立銑頭上下均配臺灣滾珠絲杠，由伺服電機驅(qū)動；6. 配美國馬丁公司同步帶、同步輪；7. 手持式電子手輪單元，方便三軸對刀；8. 獨特的橫梁升降安全連鎖裝置

24、，保證機床的重復(fù)定位精度；9.臺標(biāo)擺線泵組連續(xù)潤滑，故障率低。2滑枕結(jié)構(gòu)的設(shè)計2.1滑枕的主要連接部位結(jié)構(gòu)分析2.1.1絲杠上端固定及絲杠電機的固定 絲杠上端支撐處主要由絲杠驅(qū)動電機及絲杠上端支撐來承受電機的重量以及移動箱體移動時絲杠上所傳來的力。絲杠驅(qū)動電機通過四個沉頭螺釘固定在電機固定板上，然后電機固定板再通過螺釘固定在絲杠電機及絲杠上端支撐上。絲杠通過絲杠上端圓螺母把力傳遞給絲杠上端支撐處的軸承，再通過軸承傳遞給絲杠上端固定處的端蓋及絲杠驅(qū)動電機及絲杠上端支撐上。絲杠驅(qū)動電機及絲杠上端支撐通過側(cè)面的螺釘及上部的螺栓固定在固定件上，具體結(jié)構(gòu)如圖2-1。圖2-1絲杠上端固定2.1.2絲杠下端

25、固定 絲杠下端固定與絲杠上端固定類似，絲杠下端支撐的側(cè)螺釘固定在固定件上，絲杠下端支撐主要承受來自絲杠上的力。絲杠通過絲杠上端圓螺母把力傳遞給絲杠下端支撐處的軸承，再通過軸承傳遞給絲杠下端固定處的端蓋及絲杠下端支撐上。如圖2-2。圖2-2絲杠下端固定2.1.3絲杠絲母與移動箱體連接處固定 絲杠絲母與移動箱體通過移動固定件與移動箱體固定并帶動移動箱體豎直運動。絲母與移動固定件通過螺釘連接，移動固定件與移動箱體通過側(cè)螺釘連接。具體結(jié)構(gòu)如圖2-3,2-4。圖2-3絲母與移動箱體連接正面示意圖圖2-4絲母與移動箱體連接側(cè)面示意圖2.1.4肋板工程上為提高板的彎曲強度、剛度和穩(wěn)定性,通常在板上加肋。諸如

26、土木工程中的樓蓋、水工結(jié)構(gòu)中的平板閘門、船舶甲板、鋼結(jié)構(gòu)中的各種加肋板等等，在實際應(yīng)用中,加肋板結(jié)構(gòu)主要用于抵抗彎曲,彎曲剛度要求一般較高;故實際工況為小彎曲撓度,且中面力相對橫向荷載較小。由于加工成本原因,加肋板一般用在比較寬廣的區(qū)域,橫向荷載在板面上分散布置。2.1.5孔 便于加工，易于保證加工精度，便于測量，是軸類加工最常用的基準(zhǔn)，是統(tǒng)一基準(zhǔn)的典型工藝?；腗12孔主要用來將滑座固定在橫梁上，總共有四塊方形凹版，保證了穩(wěn)定性和精度。2.2數(shù)模的創(chuàng)建（1） 創(chuàng)建凸臺一選取凸臺命令，創(chuàng)建草繪如下圖3.1所示圖3.1 草繪凸臺草繪完成后單擊確定，退出草繪，輸入凸臺高度，如下圖3.2所示圖 3

27、.2 創(chuàng)建的凸臺（2） 創(chuàng)建切除一選擇切除草繪如圖3.3所示圖3.3 切除草圖完成后選擇切除尺寸，如下圖3.4所示圖3.4 創(chuàng)建切除拉伸一（3） 創(chuàng)建切除拉伸二如圖3.5所示圖3.5 創(chuàng)建切除拉伸草繪完成后選擇到一面，完成后如圖3.6所示圖3.6 創(chuàng)建切除拉伸二（4） 創(chuàng)建切除拉伸三選取切除拉伸命令，創(chuàng)建草繪完成后如圖3.7所示圖3.7 切除拉伸三草繪完成后選擇拉伸到一面，生產(chǎn)的實體如圖3.8所示圖3.8 生成的切除拉伸實體三2.3機床滑枕工作過程分析2.3.1滑枕工作狀態(tài)分析 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，計算機仿真在各個領(lǐng)域都得到了充分的應(yīng)用。大型龍門銑床主軸滑枕由于體積和重量的限制，完全用實驗手段

28、來進(jìn)行相關(guān)的技術(shù)分析，成本高，效率低，有時候甚至不可能做到。而計算機仿真則可以很容易地對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確分析，并可提供可視化的仿真分析結(jié)果。因此用仿真軟件可以對主軸滑枕的結(jié)構(gòu)受力以及應(yīng)變進(jìn)行實效分析，為大型數(shù)控落地鏜銑床主軸滑枕的誤差補償分析提供了有效可靠的途徑。通過建模仿真，可提供給設(shè)計者優(yōu)化的過盈量，從而克服了理論計算量大，精度差和實驗數(shù)據(jù)和經(jīng)驗公式難以獲取的不足。通過在虛擬環(huán)境中對主軸滑枕自重變形的仿真分析，直觀形象地得到滑枕的變形量，以及對其實施補償后的效果圖。如今很多三維工程分析軟件均可實現(xiàn)這一功能，本文選擇 ANSYS12.0 有限元分析軟件來進(jìn)行仿真分析。2.3.2滑枕工作時受力分

29、析主軸滑枕作為機床的重要工作部件，要作伸出及回縮的移動，由于其重量大，滑枕的移動會使立柱前、后兩條導(dǎo)軌受力不均，并因自重產(chǎn)生彎曲變形，同時加工過程中的刀具作用力，包括鏜削力以及銑削力等，均會加劇此變形，這將嚴(yán)重破壞機床的幾何精度，也會使機床呈現(xiàn)出非均勻磨損?；頇M截面尺寸為1250mm1250m m長度1960 mm。內(nèi)部為不規(guī)則的空間幾何模型 。材料為HT300，滑枕總重量為2196.65千克。材料彈性模量為130GPa，泊松比為 0.25 。忽略溫度對滑枕變形的影響，為避免網(wǎng)格劃分時網(wǎng)格尺寸相差很大而影響計算結(jié)果，簡化了結(jié)構(gòu)中的一些圓角和小倒角，由于主軸對滑枕有一定力的作用，把主軸對滑枕作

30、用力等效成均布力加載在軸承座上 。2.3.3滑枕工作時切削力的確定機床主電機功率為90 k W，主軸轉(zhuǎn)速范圍為51 2 0 0 rmi n ，主軸扭矩8000Nm，刀具材料為硬質(zhì)合金，刀具主偏角為6 0，前角為5 ，工件材料為硬質(zhì)合金，強度極限為2 5 0MP a ，銑削深度ap =7 m m，進(jìn)給量 f z =0 .2 8 mmz ，銑削速度 Vc =1 1 0 mm in,由銑削力經(jīng)驗公式 = = =式中 分 別為主切削力 、背向力 、進(jìn)給力；為公式中的系數(shù)，根據(jù)加工條件由實驗確定；表示各因素對切削力的影響因素系數(shù)；表示為不同加工條件對各切削分力的影響系數(shù)。由以上公式解得主切削力50227

31、N，背向力20290N,進(jìn)給力15568N2.3.4滑枕工作理論變形分析在工程中梁的變形應(yīng)用較多，因此對其的研究顯得十分必要。在外力作用下，梁的軸線由直線變?yōu)榍€。本文所研究的主軸滑枕工作狀態(tài)可以近似為懸臂梁結(jié)構(gòu).滑枕受到外界工作力F 以及自身重力均布載荷q的共同作用，在長度為0處，其轉(zhuǎn)角以及撓度w均為 0，即： w(0)= 0 (4-1) (0)=0 (4-2)則最終推導(dǎo)出本文主軸滑枕撓度變形公式為： (4-3)式中，為主軸滑枕在工作過程中所收的切削力；q為主軸滑枕自重所等效的均布載荷；E為主軸滑枕的彈性模量；為主軸滑枕的工作行程；為主軸滑枕的慣性矩。負(fù)號只表示方向。本文所研究的某型龍門機床

32、主軸滑枕整體采用 HT300材料，密度為7.8kg/cm3，彈性模量為130G Pa，主軸滑枕總長度為 1960mm，其工作行程為 1200 mm，根據(jù)其尺寸以及材料密度可以計算出主軸滑枕在工作行程內(nèi)的均布載荷q約為5270 N /m，帶入數(shù)據(jù)計算可得I=2.8。根據(jù)推導(dǎo)出的主軸滑枕懸臂梁撓度計算公式： (4-4)將相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式，計算可得主軸滑枕左端在不同工作行程時的最大撓度。 表4-1圖4-2滑枕工作行程-撓度示意圖由上圖表可知，主軸滑枕工作行程在0-1000mm 范圍內(nèi)其變形最大為16.34m 滿足國家規(guī)定的0.03mm/500mm精度要求。3滑枕有限元分析 由于有限元ANSYS分析軟

33、件跟solidwork三維繪圖軟件有較好的關(guān)聯(lián)效果，因此本文對于某型龍門機床滑枕主軸滑枕的模型建立是在 solidwork中進(jìn)行的。同時，本文對于主軸滑枕也做了相對應(yīng)的簡化處理，將周圍的倒角以及一些工藝處理的孔都省去了，繼而在不影響分析準(zhǔn)確性的前提下大大優(yōu)化了分析模型，節(jié)省了分析時間，提高了分析效率。HGMC3060A型龍門機床滑枕具體參數(shù)為：滑枕橫截面尺寸為1250mm1250m m長度1960 mm，材料為HT300，滑枕總重量為2196.65kg，材料彈性模量為130GPa，泊松比為 0.25 。有限元法的求解思路可以分為以下四步:(l)劃分單元：將實際復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分為若干個簡單形狀

34、的單元。(2)建立單元特征方程組：通過單元之間的聯(lián)系建立各特性參數(shù)之間的關(guān)系方程。根據(jù)彈塑性力學(xué)理論，建立各單元節(jié)點位移分量的聯(lián)系方程以及應(yīng)力與節(jié)點位移分量的方程。(3)施加邊界約束：在單元分析的基礎(chǔ)上，確定整體的邊界條件，利用平衡和連續(xù)條件，將各個單元拼裝成整體結(jié)構(gòu)。(4)求解矩陣方程組：求解矩陣方程，得到各參數(shù)在整體結(jié)構(gòu)中的分布。有限元法的基本步驟：有限元法分析步驟主要分為：預(yù)處理、求解和后處理三部分。3.1模型預(yù)處理 在 ANSYS 有限元分析的前處理過程中，必須對模型單元屬性進(jìn)行設(shè)置，以便計算機直接計算，包括單元類型、實常數(shù)以及材料屬性等方面。該型龍門機床滑枕主軸滑枕整體采用 HT 3

35、00材料，其具體參數(shù)設(shè)置為：密度=7300 kg/m，彈性模量 E = 130GPa，泊松比 =0.25。在 ANSYS 有限元分析的前處理過程中，必須對模型單元屬性進(jìn)行設(shè)置，以便計算機直接計算，包括單元類型、實常數(shù)以及材料屬性等方面。ANSYS 單元庫中提供了超過 180 種不同的單元類型，每種單元都有不同的標(biāo)識單元類型的前綴，用戶可以根據(jù)自己模型的情況選擇適合的單元類型。單元類型根據(jù)單元的節(jié)點數(shù)和自由度的不同分為二維單元以及三維單元。ANSYS 單元有線、面、實體或二維、三維單元之分，有時在保證自由度兼容的前提下，也可以混合使用不同類型的單元。在確定采用線、面或?qū)嶓w單元后，還需進(jìn)一步?jīng)Q定采

36、用線性、四邊形或 P 單元。線性單元不同于高階單元的是其只存在“角節(jié)點”，而高階單元除了存在“角節(jié)點”還存在“中間節(jié)點”。線性單元內(nèi)的位移是按線性變化的。P 單元內(nèi)的位移二階與八階之間變化的，而且求解具有收斂自動控制功能，能夠自動確定各點分析時應(yīng)選用的階數(shù)。圖3-1SOLID45 單元本文機床主軸滑枕部件采用 SOLID45 單元，此單元為 3-D 固體結(jié)構(gòu)單元，單元有 8 個節(jié)點，在每個單元節(jié)點上均有 3 個自由度，如圖 3-1 所示。采用此單元類型，可以進(jìn)行塑性應(yīng)力強化、大變形以及大應(yīng)變等方面的分析。3.2 ansys有限元分析 本文將某型龍門機床滑枕主軸滑枕的三維模型導(dǎo)入 ANSYS 中

37、，考慮其實際工作過程中的約束情況，施加邊界條件，然后對其進(jìn)行有限元網(wǎng)格自由劃分，如圖 3-3 所示。圖3-3主軸滑枕有限元網(wǎng)格劃分 在以上 ANSYS 分析的準(zhǔn)備工作完成的基礎(chǔ)上，對主軸滑枕在自重以及工作時切削力的作用下，進(jìn)行變形分析，分析結(jié)果如圖3-4，圖3-5，圖3-6，圖3-7，圖3-8，圖3-9，圖3-10，圖3-11所示。圖3-4滑枕總變形分布云圖圖3-5滑枕x向變形分布云圖圖3-6滑枕y向變形分布云圖圖3-7滑枕z向變形分布云圖圖3-8滑枕平均應(yīng)力分布云圖圖3-9滑枕x向應(yīng)力分布云圖圖3-10滑枕y向應(yīng)力分布云圖圖3-10滑枕z向應(yīng)力分布云圖3.3 ansys有限元結(jié)果分析 從圖3

38、-8可以看出滑枕的應(yīng)力分布不均勻，應(yīng)力范圍在79.27Pa-62.3 MP a，且在滑枕下部軸套處應(yīng)力集中出現(xiàn)，這是因為滑枕主軸在運動過程中收到了切削力的作用。在圓臺邊緣出現(xiàn)應(yīng)力集中所以此處應(yīng)適當(dāng)加厚一個圓的厚度。由圖 3-4可以看出，滑枕總變形在0 -0.076mm之間。最大變形出現(xiàn)在滑枕下部，是因為此處連接銑頭等刀具，滑枕在此處受很大的切削力，以z方向的徑向力為最大，最大變形為0.06mm，從分析看出滑枕整體的靜剛度很好，最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力250MPa，說明滑枕還有很大的優(yōu)化空間，可以適當(dāng)?shù)臏p小壁厚以節(jié)省用料，降低成本。 結(jié)論1 用solidwork對滑枕進(jìn)行建模，再導(dǎo)入ansy

39、s系統(tǒng)分析計算，并對網(wǎng)格局部修正，提高 了計算精度 2 通過對滑枕的靜力學(xué)分析，得出滑枕最大應(yīng)力為 6.23 MP a，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于灰鑄鐵的強度極 限，其靜態(tài)安全系數(shù)高，這表明滑枕結(jié)構(gòu)設(shè)計趨于保守。3 參 考 文 獻(xiàn) 1 程渤，殷國富.龍門加工中心主軸滑枕結(jié)構(gòu)有限元分析技術(shù)研究J .組合機床與自動化加工技術(shù)，2011，6 ( 6 ):12-13.2 向家偉,王榮，徐晉勇等.大型龍門銑床主軸滑枕結(jié)構(gòu)有限元分析 J .制造技術(shù)與機床,2009(9 ):47-50.3 劉習(xí)軍,賈啟芬.工程振動理論與測試技術(shù) M.第四版.北京:高等教育出版,2004:96-102.4 張珂.陶瓷軸承電主軸的模態(tài)分析及其動

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