大型龍門(mén)機(jī)床滑枕的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析【含全套CAD圖紙說(shuō)明書(shū)】

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1、 大型龍門(mén)機(jī)床滑枕的三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析 [摘要]大型龍門(mén)機(jī)床具有加工跨距大、加工效率高等特點(diǎn)，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(mén)機(jī)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(jī)床的加工精度。 本課題針對(duì)陜西漢川機(jī)床有限公司正在研發(fā)的某型定梁龍門(mén)機(jī)床，應(yīng)用SolidWorks軟件對(duì)其滑枕進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后應(yīng)用ANSYS軟件，對(duì)其進(jìn)行靜力特性分析，計(jì)算滑枕在切削力和自重作用下的變形和應(yīng)力，驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否滿足機(jī)床的精度要求，并繪制設(shè)計(jì)圖紙。 SolidWorks軟件是世界上第一個(gè)基于Windows開(kāi)發(fā)的三維CAD系統(tǒng)。資料顯

2、示，目前全球發(fā)放的SolidWorks軟件使用許可約28萬(wàn)，涉及航空航天、機(jī)車、食品、機(jī)械、國(guó)防、交通、模具、電子通訊、醫(yī)療器械、娛樂(lè)工業(yè)、日用品/消費(fèi)品、離散制造等分布于全球100多個(gè)國(guó)家的約3萬(wàn)1千家企業(yè)。在教育市場(chǎng)上，每年來(lái)自全球4，300所教育機(jī)構(gòu)的近145，000名學(xué)生通過(guò)SolidWorks的培訓(xùn)課程。 ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)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(guó)ANSYS開(kāi)發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Creo,NASTRAN, Alogor, I－DEAS,AutoCAD等， 是現(xiàn)代產(chǎn)品

3、設(shè)計(jì)中高級(jí)CAE工具之一。 [關(guān)鍵詞]滑枕、靜力特性、分析、SolidWorks、ANSYS Three-dimensional structure of large gantry machine ram design and Their Finite Element analysis Abstract:Large gantry machines with processing large span, high efficiency machining for large size precision machining parts, widely used in avia

4、tion, marine, automotive and other fields. 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 a

5、pplications designed for its three-dimensional 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

6、 draw the design drawings. SolidWorks software 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,

7、mold, telecommunications, medical equipment, 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 w

8、orldwide through SolidWorks training courses. 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 comp

9、any, it interfaces with most CAD software, sharing 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(mén)銑床的概述 龍門(mén)銑床簡(jiǎn)稱龍門(mén)銑，是具有門(mén)式框架和臥式長(zhǎng)床

10、身的銑床。龍門(mén)銑床上可以用多把銑刀同時(shí)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(mén)銑床還可加工空間曲面和一些特型零件。龍門(mén)銑床由門(mén)式框架、床身工作臺(tái)和電氣控制系統(tǒng)構(gòu)成，龍門(mén)銑床具有足夠的剛性，效率高，操作方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能全面性等特點(diǎn)。但是在內(nèi)外熱源的影響下，龍門(mén)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(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系遭到破環(huán)，對(duì)于龍門(mén)銑床來(lái)說(shuō)，因?yàn)槿考庸み^(guò)程是計(jì)算的指令控制的，熱變形的影響就更為嚴(yán)重。 1.1.1國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 我國(guó)龍門(mén)銑床產(chǎn)品的發(fā)展大致分為兩個(gè)階段。第一階段在六十年代初至八十年代初，當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)龍門(mén)銑

11、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(mén)銑床。后經(jīng)過(guò)調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，開(kāi)始試制數(shù)控龍門(mén)銑床。第二階段從八十年代初改革開(kāi)放至今，通過(guò)引進(jìn)、消化吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)或與國(guó)外技術(shù)先進(jìn)廠家合作生產(chǎn)，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)數(shù)控龍門(mén)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(guó)機(jī)床行業(yè)發(fā)展最快速的時(shí)期，由于國(guó)家很多重點(diǎn)大型工程的開(kāi)展，各行業(yè)對(duì)于大型、重型、超重型龍門(mén)加工中心和數(shù)控龍門(mén)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(guó)國(guó)際機(jī)床展（CIMT2009)中，我們可以看到到國(guó)內(nèi)龍門(mén)銑床的發(fā)展?fàn)顩r：本次展出了整機(jī)重量超過(guò)100T的超重型龍門(mén)加

12、工中心和數(shù)控龍門(mén)鏜銑床的國(guó)內(nèi)公司有8家之多，分別是沈一、中捷、武重、濟(jì)二、大連機(jī)床、桂林、日發(fā)、海天等。 1.1.2國(guó)外的研究概況 上世紀(jì)80年代歐美日等先進(jìn)工業(yè)國(guó)家先后完成了數(shù)控機(jī)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(guó)英格索爾公司和德國(guó)惠勒喜樂(lè)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(guó)瓦德里希公司側(cè)重于重型龍門(mén)五面加工銑床的開(kāi)發(fā)，日本馬扎克公司研發(fā)的車銑中心推進(jìn)了對(duì)高效復(fù)合加工機(jī)床的發(fā)展。 如今五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床代表了數(shù)控機(jī)床發(fā)展的最高水平，五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展重點(diǎn)是：高速、高精度、環(huán)保、智能、復(fù)合化。其中數(shù)控

13、龍門(mén)加工中心成為多家國(guó)際公司研究的重點(diǎn)。德國(guó)茲默曼公司推出的FZ100六軸數(shù)控龍門(mén)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(shí)的生產(chǎn)效率。美國(guó)Ingersoll公司的7m龍門(mén)移動(dòng)式龍門(mén)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(dòng)梁龍門(mén)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(duì)稱結(jié)構(gòu)使機(jī)床熱變形控制在10μm以下，大大提高機(jī)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(duì)陜西漢川機(jī)床有限公司正在研發(fā)的某型定梁龍門(mén)機(jī)床，應(yīng)用SolidWorks軟件對(duì)其滑枕進(jìn)行三

14、維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后應(yīng)用ANSYS軟件，對(duì)其進(jìn)行靜力特性分析，計(jì)算滑枕在切削力和自重作用下的變形和應(yīng)力，驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否滿足機(jī)床的精度要求。本課題通過(guò)對(duì)各種龍門(mén)銑床的分析研究，將對(duì)龍門(mén)移動(dòng)式龍門(mén)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(jì)。除此之外，還將利用三維建模軟件SolidWorks對(duì)所有的零部件做實(shí)體建模、模擬裝配和運(yùn)動(dòng)仿真。Solidworks是基于特征的實(shí)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(yùn)動(dòng)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(duì)零件進(jìn)行設(shè)計(jì)、編輯、修改。利用這些功能，能有效避免產(chǎn)

15、品設(shè)計(jì)中經(jīng)常帶來(lái)的尺寸不匹配，零件干涉等問(wèn)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(mén)機(jī)床的結(jié)構(gòu)組成和工作原理； （3）應(yīng)用SolidWorks軟件對(duì)某型龍門(mén)機(jī)床滑枕進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。然后應(yīng)用ANSYS軟件，對(duì)其進(jìn)行靜力特性分析，計(jì)算滑枕在切削力和自重作用下的變形和應(yīng)力，驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否滿足機(jī)床的精度要求，并繪制設(shè)計(jì)圖紙。 （4）設(shè)計(jì)成果：設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)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

16、國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)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(guó)內(nèi)急需解決的關(guān)鍵性問(wèn)題，要求機(jī)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(jī)床，以滿足國(guó)內(nèi)重型機(jī)械、工程機(jī)械、機(jī)車車輛、大型電機(jī)、水輪機(jī)、汽輪機(jī)、船舶、核電、大型環(huán)保設(shè)備等市場(chǎng)發(fā)展的需要，加之其它重型機(jī)械行業(yè)發(fā)展的需求，我們可以預(yù)見(jiàn)其廣闊的市場(chǎng)前景，由此也可見(jiàn)其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的所起到的重要作用及所處的重要地位。同時(shí)為應(yīng)對(duì)當(dāng)前金融危機(jī)，國(guó)家制訂并出臺(tái)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(xiàng)就將大型數(shù)控機(jī)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(jī)床行業(yè) 面臨著一次發(fā)展的機(jī)遇，當(dāng)然也是一次挑戰(zhàn)。這

17、項(xiàng)文件是繼“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備科技重大專項(xiàng)”之后的又一次將大型數(shù)控機(jī)床列入我國(guó)未來(lái)幾年的振興規(guī)劃目標(biāo)。這項(xiàng)舉措既表明了國(guó)家對(duì)重型機(jī)床裝備制造的高度重視，又體現(xiàn)了重型機(jī)床在國(guó)家裝備制造業(yè)中的重要戰(zhàn)略地位。 通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)用戶廠家的調(diào)研了解，多數(shù)用戶仍采用國(guó)外的機(jī)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(zhǎng)，運(yùn)輸限制等，許多廠家的設(shè)備急待增添和重新改造，如中船南京綠洲、廣州船廠、中國(guó)一重、中國(guó)二重、東方電機(jī)、太原重工、江南重工、上海汽輪機(jī)廠等廠家都表示急需國(guó)產(chǎn)大型數(shù)控落地式鏜銑機(jī)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(shí)周到，而在價(jià)格方面，國(guó)產(chǎn)數(shù)控落地式鏜銑機(jī)床

18、只有國(guó)外同類產(chǎn)品的 1/3～2/3。因此大型落地鏜銑（加工中心）的技術(shù)研發(fā)，在國(guó)內(nèi)有著廣闊的市場(chǎng)和發(fā)展前景?！案邫n數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”已被科技部列為重大科技專項(xiàng)，其目標(biāo)是到 2020 年，形成自主開(kāi)發(fā)能力；總體技術(shù)水平進(jìn)入國(guó)際先進(jìn)行列，部分技術(shù)水平國(guó)際領(lǐng)先；研究開(kāi)發(fā)出若干具有原創(chuàng)性的重大產(chǎn)品和技術(shù)；滿足國(guó)內(nèi)主要行業(yè)對(duì)制造裝備的基本需求。 大型數(shù)控落地鏜銑床作為機(jī)械裝備母機(jī)，在造船、工程機(jī)械、航空航天、汽車、鐵路、電力設(shè)備、風(fēng)電設(shè)備、動(dòng)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(lè)觀，但是對(duì)機(jī)床需求并沒(méi)有隨著汽車數(shù)量的上升而上揚(yáng)，中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)裝備部部長(zhǎng)陳長(zhǎng)年就

19、汽車發(fā)展對(duì)機(jī)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(shí)，汽車工業(yè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)又取決于裝備先進(jìn)性制造成本?！焙娇蘸教熳鳛槲覈?guó)高科技水平的代表產(chǎn)業(yè)同樣對(duì)制造技術(shù)水平要求很高。航空航天產(chǎn)業(yè)中對(duì)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(qiáng)度、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、低振動(dòng)、多工藝要求等特點(diǎn)，這就促使機(jī)床加工設(shè)備向大重型、高速、精密、智能化等趨勢(shì)發(fā)展。特別是航空發(fā)動(dòng)機(jī)及其零部件的加工對(duì)數(shù)控機(jī)床的要求最為苛刻，精度、振動(dòng)、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(jī)床應(yīng)運(yùn)而生。 發(fā)電工業(yè)同樣成為機(jī)床重點(diǎn)服務(wù)的行業(yè)，其對(duì)機(jī)床的需求主要是：發(fā)電機(jī)和汽輪機(jī)的轉(zhuǎn) 子需求數(shù)

20、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(mén)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(duì)其進(jìn)行專業(yè)方面的研究，使此項(xiàng)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(mén)銑床簡(jiǎn)介 龍門(mén)銑床簡(jiǎn)稱龍門(mén)銑，是具有門(mén)式框架和臥式長(zhǎng)床身的銑床。龍門(mén)銑床上可以用多把銑刀同時(shí)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(mén)銑床還可加工空間曲面和一些特型零件。 1.5大型龍門(mén)銑床的分類 按龍門(mén)架是否移動(dòng)，分為龍門(mén)固定工作臺(tái)移動(dòng)式（約占90%以上）

21、和龍門(mén)移動(dòng)式（又稱橋式）。橋式龍門(mén)銑的特點(diǎn)是占地面積小，承載能力大，龍門(mén)架行程可達(dá)20米，便于加工特長(zhǎng)或特重的工件。 按橫梁是否在立柱上運(yùn)動(dòng)，分為動(dòng)梁式和定梁式兩種；橫梁在高架床身上移動(dòng)稱為高架式。下圖2.1所示為意大利因賽橋式龍門(mén)銑 圖2.1 意大利因賽橋式龍門(mén)銑 1.6大型龍門(mén)銑床的結(jié)構(gòu) 龍門(mén)銑床由門(mén)式框架、床身工作臺(tái)和電氣控制系統(tǒng)構(gòu)成。如下圖2.2所示 圖2.2 龍門(mén)銑床結(jié)構(gòu)圖 門(mén)式框架由立柱和頂梁構(gòu)成，中間還有橫梁。橫梁可沿兩立柱導(dǎo)軌作升降運(yùn)動(dòng)。橫梁上有1～2個(gè)帶垂直主軸的銑頭，可沿橫梁導(dǎo)軌作橫向運(yùn)動(dòng)。兩立柱上還可分別安裝一個(gè)帶有水平主軸的銑頭，它可沿立柱導(dǎo)軌作升降

22、運(yùn)動(dòng)。這些銑頭可同時(shí)加工幾個(gè)表面。每個(gè)銑頭都具有單獨(dú)的電動(dòng)機(jī)（功率最大可達(dá)150千瓦）、變速機(jī)構(gòu)、操縱機(jī)構(gòu)和主軸部件等。 臥式長(zhǎng)床身上架設(shè)有可移動(dòng)的工作臺(tái)，并覆有護(hù)罩。加工時(shí)，工件安裝在工作臺(tái)上并隨之作縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。 龍門(mén)銑床還有一些變型以適應(yīng)不同的加工對(duì)象。 ①龍門(mén)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(jī)動(dòng)進(jìn)給并有運(yùn)動(dòng)微調(diào)裝置,微調(diào)速度可低至5毫米/分。可進(jìn)行鏜孔及銑削作業(yè)。 ②龍門(mén)鉆銑床：橫梁上裝有動(dòng)力頭，通過(guò)接桿裝鉆頭或銑刀，可完成鉆孔及銑削作業(yè)。 龍門(mén)銑床床身上裝設(shè)有X軸導(dǎo)軌，龍門(mén)銑床工作臺(tái)跨越緊固在該床身上。工作臺(tái)上方活動(dòng)跨越架設(shè)有龍門(mén)架，龍門(mén)架還

23、包括有：龍門(mén)架拖板，龍門(mén)架拖板活動(dòng)夾持于該X軸導(dǎo)軌上。Z軸導(dǎo)軌，裝設(shè)于龍門(mén)架上。橫梁，該橫梁裝設(shè)有一Z軸拖板，橫梁通過(guò)該Z軸拖板而活動(dòng)夾持于該Z軸導(dǎo)軌上，橫梁上還裝設(shè)有Y軸導(dǎo)軌?！°娤餮b置，龍門(mén)銑床銑削裝置活動(dòng)裝設(shè)于該Y軸導(dǎo)軌上，使該龍門(mén)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(mén)銑床具有高精度的銑、鉆、鏜、削等操作。 1.7大型龍門(mén)銑床的性能特點(diǎn) 龍門(mén)銑床具有足夠的剛性，效率高，操作方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能全面性等特點(diǎn)。 其具體的性能特點(diǎn)根據(jù)種類、型號(hào)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

24、三軸數(shù)控龍門(mén)銑為例，其性能特點(diǎn)在于： 1.立銑頭配置TX400重型龍門(mén)銑頭，雙矩形導(dǎo)軌，剛性強(qiáng)； 2. 銑頭裝滾珠絲杠、氣動(dòng)拉刀裝置、有伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)； 3. 側(cè)銑頭配置V5型龍門(mén)銑頭，加裝獨(dú)立潤(rùn)滑裝置，升降由普通減速機(jī)傳動(dòng)，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(kuò)展面板手動(dòng)操作，在實(shí)際機(jī)械加工過(guò)程中實(shí)現(xiàn)性極強(qiáng)； 5. 床身進(jìn)退、橫梁上下、立銑頭上下均配臺(tái)灣滾珠絲杠，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)； 6. 配美國(guó)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(duì)刀； 8. 獨(dú)特的橫梁升降安全連鎖裝置，保證機(jī)床的重復(fù)定位精度； 9.臺(tái)標(biāo)擺線泵組連續(xù)

25、潤(rùn)滑，故障率低。 2滑枕結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 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(jī)的固定 絲杠上端支撐處主要由絲杠驅(qū)動(dòng)電機(jī)及絲杠上端支撐來(lái)承受電機(jī)的重量以及移動(dòng)箱體移動(dòng)時(shí)絲杠上所傳來(lái)的力。絲杠驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)四個(gè)沉頭螺釘固定在電機(jī)固定板上，然后電機(jī)固定板再通過(guò)螺釘固定在絲杠電機(jī)及絲杠上端支撐上。絲杠通過(guò)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(guò)軸承傳遞給絲杠上端固定處的端蓋及絲杠驅(qū)動(dòng)電機(jī)及絲杠上端支撐上。絲杠驅(qū)動(dòng)電機(jī)及絲杠上端支撐通過(guò)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絲杠下端固定

26、 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(lái)自絲杠上的力。絲杠通過(guò)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(guò)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(dòng)箱體連接處固定 絲杠絲母與移動(dòng)箱體通過(guò)移動(dòng)固定件與移動(dòng)箱體固定并帶動(dòng)移動(dòng)箱體豎直運(yùn)動(dòng)。絲母與移動(dòng)固定件通過(guò)螺釘連接，移動(dòng)固定件與移動(dòng)箱體通過(guò)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(dòng)箱體連接正面示意圖 圖2-4絲母與移動(dòng)箱體連接側(cè)面示意圖 2.1.4肋板 工程上為

27、提高板的彎曲強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性,通常在板上加肋。諸如土木工程中的樓蓋、水工結(jié)構(gòu)中的平板閘門(mén)、船舶甲板、鋼結(jié)構(gòu)中的各種加肋板等等，在實(shí)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(shí)際工況為小彎曲撓度,且中面力相對(duì)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(cè)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(lái)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(tái)一 選取凸臺(tái)命令，創(chuàng)建草繪如下圖3.1所示

28、 圖3.1 草繪凸臺(tái) 草繪完成后單擊確定，退出草繪，輸入凸臺(tái)高度，如下圖3.2所示 圖 3.2 創(chuàng)建的凸臺(tái) （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(shí)體如圖3.8所示 圖3.8 生成的

29、切除拉伸實(shí)體三 2.3機(jī)床滑枕工作過(guò)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(jì)算機(jī)仿真在各個(gè)領(lǐng)域都得到了充分的應(yīng)用。大型龍門(mén)銑床主軸滑枕由于體積和重量的限制，完全用實(shí)驗(yàn)手段來(lái)進(jìn)行相關(guān)的技術(shù)分析，成本高，效率低，有時(shí)候甚至不可能做到。而計(jì)算機(jī)仿真則可以很容易地對(duì)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(duì)主軸滑枕的結(jié)構(gòu)受力以及應(yīng)變進(jìn)行實(shí)效分析，為大型數(shù)控落地鏜銑床主軸滑枕的誤差補(bǔ)償分析提供了有效可靠的途徑。通過(guò)建模仿真，可提供給設(shè)計(jì)者優(yōu)化的過(guò)盈量，從而克服了理論計(jì)算量大，精度差和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式難以獲取的不足。通過(guò)在虛擬環(huán)境中對(duì)主軸滑

30、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(duì)其實(shí)施補(bǔ)償后的效果圖。如今很多三維工程分析軟件均可實(shí)現(xiàn)這一功能，本文選擇 ANSYS12.0 有限元分析軟件來(lái)進(jìn)行仿真分析。 2.3.2滑枕工作時(shí)受力分析 主軸滑枕作為機(jī)床的重要工作部件，要作伸出及回縮的移動(dòng)，由于其重量大，滑枕的移動(dòng)會(huì)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(shí)加工過(guò)程中的刀具作用力，包括鏜削力以及銑削力等，均會(huì)加劇此變形，這將嚴(yán)重破壞機(jī)床的幾何精度，也會(huì)使機(jī)床呈現(xiàn)出非均勻磨損。 滑枕橫截面尺寸為1250mm1250m m長(zhǎng)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2

31、196.65千克。材料彈性模量為130GPa，泊松比為 0.25 。忽略溫度對(duì)滑枕變形的影響，為避免網(wǎng)格劃分時(shí)網(wǎng)格尺寸相差很大而影響計(jì)算結(jié)果，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)中的一些圓角和小倒角，由于主軸對(duì)滑枕有一定力的作用，把主軸對(duì)滑枕作用力等效成均布力加載在軸承座上 。 2.3.3滑枕工作時(shí)切削力的確定 機(jī)床主電機(jī)功率為90 k W，主軸轉(zhuǎn)速范圍為5～1 2 0 0 r／mi 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(qiáng)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 mm／z ，銑削速度 Vc =1 1 0

32、m／m in,由銑削力經(jīng)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)確定；表示各因素對(duì)切削力的影響因素系數(shù)；表示為不同加工條件對(duì)各切削分力的影響系數(shù)。 由以上公式解得主切削力50227N，背向力20290N,進(jìn)給力15568N 2.3.4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(duì)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(zhǎng)度為0處，其轉(zhuǎn)角以及撓度w均為 0，即：

33、 w(0)= 0 (4-1) (0)=0 (4-2) 則最終推導(dǎo)出本文主軸滑枕?yè)隙茸冃喂綖椋? (4-3) 式中，為主軸滑枕在工作過(guò)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(hào)只表示方向。 本文所研究的某型龍門(mén)機(jī)床主軸滑枕整體采用 HT300材料，密度為7

34、.8kg/cm^3，彈性模量為130G Pa，主軸滑枕總長(zhǎng)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(jì)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(jì)算可得I=2.8。 根據(jù)推導(dǎo)出的主軸滑枕懸臂梁撓度計(jì)算公式： (4-4) 將相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式，計(jì)算可得主軸滑枕左端在不同工作行程時(shí)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16.34μm 滿足國(guó)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AN

35、SYS分析軟件跟solidwork三維繪圖軟件有較好的關(guān)聯(lián)效果，因此本文對(duì)于某型龍門(mén)機(jī)床滑枕主軸滑枕的模型建立是在 solidwork中進(jìn)行的。同時(shí)，本文對(duì)于主軸滑枕也做了相對(duì)應(yīng)的簡(jiǎn)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(shí)間，提高了分析效率。HGMC3060A型龍門(mén)機(jī)床滑枕具體參數(shù)為：滑枕橫截面尺寸為1250mm1250m m長(zhǎng)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(shí)際復(fù)雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

36、劃分為若干個(gè)簡(jiǎn)單形狀的單元。 (2)建立單元特征方程組：通過(guò)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(diǎn)位移分量的聯(lián)系方程以及應(yīng)力與節(jié)點(diǎn)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(gè)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(guò)程中，必須對(duì)模型單元屬性進(jìn)行設(shè)置，以便計(jì)算機(jī)直接計(jì)算，包括單元類型、實(shí)常數(shù)以及材料屬性等

37、方面。該型龍門(mén)機(jī)床滑枕主軸滑枕整體采用 HT 300材料，其具體參數(shù)設(shè)置為：密度ρ=7300 kg/m，彈性模量 E = 130GPa，泊松比 μ=0.25。在 ANSYS 有限元分析的前處理過(guò)程中，必須對(duì)模型單元屬性進(jìn)行設(shè)置，以便計(jì)算機(jī)直接計(jì)算，包括單元類型、實(shí)常數(shù)以及材料屬性等方面。ANSYS 單元庫(kù)中提供了超過(guò) 180 種不同的單元類型，每種單元都有不同的標(biāo)識(shí)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(diǎn)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(shí)體或二維、三維單元之分，有時(shí)在保證自由度兼容的前提下，也可以混合使用不同類型的

38、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(diǎn)”，而高階單元除了存在“角節(jié)點(diǎn)”還存在“中間節(jié)點(diǎn)”。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(dòng)控制功能，能夠自動(dòng)確定各點(diǎn)分析時(shí)應(yīng)選用的階數(shù)。 圖3-1SOLID45 單元 本文機(jī)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(gè)節(jié)點(diǎn)，在每個(gè)單元節(jié)點(diǎn)上均有 3 個(gè)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(qiáng)化、大變形以及大應(yīng)變等方面的分析。 3.2 ansys有限

39、元分析 本文將某型龍門(mén)機(jī)床滑枕主軸滑枕的三維模型導(dǎo)入 ANSYS 中，考慮其實(shí)際工作過(guò)程中的約束情況，施加邊界條件，然后對(duì)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(duì)主軸滑枕在自重以及工作時(shí)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

40、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3-8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?yàn)榛碇鬏S在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中收到了切削力的作用。在圓臺(tái)邊緣出現(xiàn)應(yīng)力集中所以此處應(yīng)適當(dāng)加厚一個(gè)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?yàn)榇颂庍B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

41、應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力250MPa，說(shuō)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(duì)滑枕進(jìn)行建模，再導(dǎo)入ansys系統(tǒng)分析計(jì)算，并對(duì)網(wǎng)格局部修正，提高 了計(jì)算精度 ． 2 通過(guò)對(duì)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(qiáng)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(jì)趨于保守。 3 參 考 文 獻(xiàn) [1] 程渤，殷國(guó)富.龍門(mén)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(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2011，6 ( 6 ):12-13. [2] 向

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