大型數(shù)控套筒回轉(zhuǎn)式尾座設(shè)計(jì)【含9張CAD圖】
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大型數(shù)控套筒回轉(zhuǎn)式尾座附錄 Ⅰ外文翻譯數(shù)控車床尾架機(jī)構(gòu)的特性分析與優(yōu)化摘要：數(shù)控車床尾架的特點(diǎn)對(duì)數(shù)控機(jī)床的加工精度有很大的影響。利用Solidworks 軟件建立了車尾體實(shí)體模型，然后將其導(dǎo)入到工作臺(tái)軟件中進(jìn)行有限元分析，得出其動(dòng)態(tài)和靜態(tài)特性。根據(jù)對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化的分析結(jié)果。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，尾料機(jī)構(gòu)不僅能滿足機(jī)床的要求，質(zhì)量也可降低 5%。在節(jié)省材料的同時(shí)也可以減少運(yùn)動(dòng)慣性，提高加工精度。關(guān)鍵詞:尾座體;靜力學(xué)分析;模態(tài)分析;拓?fù)鋬?yōu)化;工作臺(tái);一、說(shuō)明尾架是數(shù)控車床的重要組成部分，在定位和夾緊工件方面起著重要的作用。它的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性直接影響加工精度和穩(wěn)定性。重型數(shù)控車床加工不同零件時(shí)，尾料需要往復(fù)運(yùn)動(dòng)完成夾緊、定位工件的工作。因此，這就要求尾礦重量更輕，盡可能增加組織的靈活性。本文以 HTC100 數(shù)控車床尾箱箱體為例，通過(guò)建立一個(gè)精確的物理模型，利用 ANSYS Workbench 軟件完成有限元分析及其拓?fù)鋬?yōu)化，得到了較好的結(jié)構(gòu)。為尾礦庫(kù)的合理設(shè)計(jì)提供了可行的參考。二、有限元模型圖 1 (a)是關(guān)于 HTC100 數(shù)控車床尾架車身結(jié)構(gòu)，由上、下柜組成的圖 1 (b)， (c)所示。尾架的底部通過(guò)滑軌和螺栓固定在床上。圖 1 (a) 尾箱模型 (b) 上框模型 (c) 下箱模型 HTC100水平數(shù)控車床尾架由 HT300 鑄造。HT300 的模量是。1.43E11Pa ，泊松比為0.27，密度為 7340Kg/m3。網(wǎng)格是有限元分析的重要組成部分。本文選擇了一種符合四面體法的補(bǔ)片方法，將其與尾箱模型相結(jié)合。選擇該方法的原因是它快速且適用于復(fù)雜幾何;大型數(shù)控套筒回轉(zhuǎn)式尾座關(guān)鍵區(qū)域的近似大小可以細(xì)化。網(wǎng)格如圖 2 所示，得到有限元模型，節(jié)點(diǎn)模型個(gè)數(shù)為 55973，總單元數(shù)為 32024。圖 2 箱體有限元模型 圖 3 箱體邊界條件在分析尾箱的靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，包括力、轉(zhuǎn)矩和支撐面時(shí)，必須在 ANSYS的箱體上應(yīng)用邊界條件。尾礦體內(nèi)部應(yīng)力主要來(lái)自零件的重力。在加工過(guò)程中，除了內(nèi)部零件的重力外，尾箱還具有切削力和力矩。以軸加工為例，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，尾板夾緊力為 5.28KN，最大切削力為 60KN。主切削力為 53.4KN，后力為 18.6KN，送料力為 20.4KN。應(yīng)力分析后，得到的力和扭矩為:Fx =560N, Fy =1572350N, Fz =15120N, M = 8811n。將這些力和力矩應(yīng)用到箱體的各個(gè)表面，固定在床上的尾箱，使箱體的底部通過(guò)固定的約束得到。工作臺(tái)中應(yīng)用了邊界條件，如圖 3 所示。三、有限元分析靜態(tài)分析結(jié)果對(duì)優(yōu)化箱體結(jié)構(gòu)具有重要的參考價(jià)值。靜態(tài)圖像分析如圖 4 所示，箱體最大位移為 1.23E-004m，最大應(yīng)力為 4.44E+007Pa。結(jié)果表明，箱體最大位移量小，滿足精度要求。HT300 的最大應(yīng)力是 300MPa。尾箱的最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于有限的材料應(yīng)力，箱體剛度滿足要求，因此可以進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。在此過(guò)程中，機(jī)器工具通過(guò)噪聲和振動(dòng)的相互作用產(chǎn)生周期性的變分激發(fā)力。當(dāng)激發(fā)力的頻率與結(jié)構(gòu)固有頻率相同或整數(shù)時(shí)，容易引起共振。這將降低機(jī)床的加工精度和穩(wěn)定性。因此，有必要對(duì)尾箱進(jìn)行模態(tài)分析。大型數(shù)控套筒回轉(zhuǎn)式尾座圖 4 尾礦體的位移和應(yīng)力云圖在 ANSYS 中對(duì)箱體進(jìn)行模態(tài)分析后，得出了第一個(gè)六階模態(tài)，如表一所示。HTC100 數(shù)控車床主軸的最大轉(zhuǎn)速為 200rpm，頻率為 3.33Hz。可以看出，尾架的激發(fā)頻率遠(yuǎn)小于表 1 的六階頻率。表 1 箱體的低階模式 單位[Hz]Pattern1-order2-order3-order4-order5-order6-orderFrequency272.27283.95 462.53636.54747.78806.67四、拓?fù)鋬?yōu)化拓?fù)鋬?yōu)化是指在給定約束條件下，找到用于使目標(biāo)體積(整體剛度、固有頻率等)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)材料的最佳解。利用工作臺(tái)的“形狀優(yōu)化”功能，完成尾箱拓?fù)鋬?yōu)化。優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置為 5%，然后求解，優(yōu)化結(jié)果如圖 5 所示。圖 5 拓?fù)鋬?yōu)化云圖 圖 6 優(yōu)化后的幾何結(jié)構(gòu)由于紅色區(qū)域是不規(guī)則的，在實(shí)際處理過(guò)程中必須考慮到技術(shù)和應(yīng)力分布的復(fù)雜性。所以不可能移除所有紅色區(qū)域。在 Solidworks 中，將常規(guī)幾何圖形中的紅色區(qū)域剪掉，然后質(zhì)量減少 1250.4Kg。優(yōu)化后的幾何結(jié)構(gòu)如圖 6 所示。對(duì)優(yōu)化方案和位移進(jìn)行有限元分析，如圖 7 所示。箱體最大位移為 1.19E-004m，優(yōu)化后最大應(yīng)力為 4.57E+007Pa。進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化后箱體的模態(tài)分析，得到低階模態(tài)，如表 2 所示。大型數(shù)控套筒回轉(zhuǎn)式尾座圖 7 優(yōu)化后的位移和應(yīng)力圖對(duì)優(yōu)化后的箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，使其在優(yōu)化后仍能滿足剛度要求和加工精度。此外，質(zhì)量降低，運(yùn)動(dòng)慣性圈閉和控制性能提高。表 2 優(yōu)化后的箱體低階模式 單位[Hz]Pattern 1-order 2-order 3-order 4-order 5-order 6-orderFrequency 278.98 290.52 471.10 653.54 743.03 781.12五、結(jié)論對(duì)工作臺(tái)的尾箱進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，最大位移、最大應(yīng)力和低頻基本不變，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的尾箱箱體。滿足設(shè)計(jì)要求，質(zhì)量降低 5%。這使得尾架運(yùn)動(dòng)更加靈活。使用有限元軟件對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分析，可以節(jié)省制造原型和測(cè)試的成本。在軟件中獲取產(chǎn)品的主要特性，可以提供優(yōu)化的結(jié)構(gòu)和尺寸。大型數(shù)控套筒回轉(zhuǎn)式尾座參考文獻(xiàn)［1］ 赫崇宇，尹志宏.尾座箱體的特性分析與優(yōu)化［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2 012，12（25）:6433-6436.［2］ 葉志明.基于機(jī)床整機(jī)剛度特性的床身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)［D ］.大連：大連理工大學(xué)，2 013.［3］ 李紅偉，于文濤，劉淑琴.基于 ANSYS 的磁懸浮撓性轉(zhuǎn)子模態(tài)分析與設(shè)計(jì)［J ］.中國(guó)機(jī)械工程，2 014，25（11）:1447-1452.［4］ 高東強(qiáng)，陳超群，馬金鋒，等.立式加工中心床身靜動(dòng)態(tài)特性分析及優(yōu)化［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2013（12）:221-223，227.［5］ 艾紹陽(yáng)，劉杰.一種數(shù)控車床尾座結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械工程師，2 0136:181-182.［6］董立立，趙益萍，梁林泉，等.機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)理論方法研究綜述［J］.機(jī)床與液壓，2010（15）:114-119.大型數(shù)控套筒回轉(zhuǎn)式尾座附錄 Ⅱ外文原文大型數(shù)控套筒回轉(zhuǎn)式尾座大型數(shù)控套筒回轉(zhuǎn)式尾座大型數(shù)控套筒回轉(zhuǎn)式尾座大型數(shù)控套筒回轉(zhuǎn)式尾座