畢業(yè)設(shè)計(jì)--某型重型數(shù)控機(jī)床床身設(shè)計(jì)及模態(tài)仿真分析

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</b></p><p>　　題 目：某型重型數(shù)控機(jī)床床身設(shè)計(jì)及模態(tài)仿真分析</p><p>　　學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 </p>&l

2、t;p>　　起止時(shí)間：2014年 2 月 24 日 至 20014 年 6 月 8 日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　機(jī)床在機(jī)械制造工業(yè)中扮演著越來(lái)越重要的角色,尤其是隨著現(xiàn)代機(jī)械制造工業(yè)的發(fā)展，走向高精度、高速度、高效率的道路。近些年來(lái)，我國(guó)企業(yè)的數(shù)控機(jī)床占有率正在逐步上升，其中大型高效的數(shù)控機(jī)床也成為了用戶的首選

3、。但是由于其結(jié)構(gòu)龐大、設(shè)備噸位重、制造費(fèi)用高，有必要進(jìn)行預(yù)先的計(jì)算、仿真，讓設(shè)計(jì)者對(duì)機(jī)床的特性有一個(gè)全面的了解，進(jìn)而使整個(gè)設(shè)計(jì)更加的完善。 本文以 TK6920 大型數(shù)控落地鏜銑床為研究對(duì)象，對(duì)機(jī)床床身和立柱進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用有限元分析軟件ANSYS 作為分析工具，對(duì)其進(jìn)行分析靜力分析和動(dòng)態(tài)特性分析。</p><p>　　對(duì)床身和立柱進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算，運(yùn)用CAD進(jìn)行二維圖繪制</p><p>

4、　　運(yùn)用solidworks進(jìn)行三維建模，包括床身，立柱部分</p><p>　　將建立的三維模型用有限元方法進(jìn)行對(duì)床身，立柱，滑枕，及整機(jī)靜態(tài)剛度分析。</p><p>　　通過(guò)模態(tài)分析計(jì)算床身6階固有頻率振型，滑枕前6階固有頻率振型，立柱6階固有頻率振型，及整機(jī)6階固有頻率振型，共四部分分析。</p><p>　　根據(jù)靜力分析和模態(tài)分析的結(jié)果得出相應(yīng)的結(jié)論，設(shè)計(jì)

5、是否符合要求，以及需要進(jìn)行優(yōu)化的部分。</p><p>　　關(guān)鍵詞：tk6920落地鏜銑床；床身和立柱設(shè)計(jì)；靜力分析；模態(tài)分析</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The machine is playing a more and more important role in mechanical manu

6、facturing industry, especially with the development of modern machinery manufacturing industry, to the high accuracy, high speed, high efficiency road. In recent years, numerical control machine tool enterprises in our c

7、ountry share is rising gradually, the CNC machine tool large efficient has become the user's preferred. But because of its large structure, equipment weight, high manufacturing cost, it is necessary to pre co</p&g

8、t;<p>　　Column on the bed and structural design calculations, the use of two-dimensional CAD drawing</p><p>　　Use solidworks three-dimensional modeling, including bed, column section</p><p&

9、gt;　　Will create three-dimensional model using the finite element method to bed, column, ram, and the whole static stiffness analysis.</p><p>　　Calculated by modal analysis 6 bed natural frequency modes, the

10、 first natural frequency of the ram 6 modes, column 6 natural frequency vibration modes, and the whole six natural frequency vibration modes of four-part analysis.</p><p>　　According to the results of static

11、 analysis and modal analysis of the corresponding conclusions, whether the design meets the requirements, and the need to be part of the optimization.</p><p>　　Keywords: tk6920 floor type boring and milling

12、machine; bed and column design; static analysis; modal analysis</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是在孫江宏老師耐心細(xì)致的指導(dǎo)下完成的，在此特別想感謝孫江宏老師對(duì)我的幫助。從課題的選擇，研究，設(shè)計(jì)，完成，整個(gè)過(guò)程中，老師都投入了很多的時(shí)間與經(jīng)歷，在我錯(cuò)誤不斷的情

13、況下，一直給予我耐心的講解和指導(dǎo)。在整個(gè)研究過(guò)程中，老師不僅僅對(duì)我是課題上專業(yè)知識(shí)的指導(dǎo)，更重要的是他教會(huì)對(duì)我將來(lái)走向社會(huì)上乃至工作中，無(wú)論行業(yè)與機(jī)械專業(yè)相關(guān)與否，在面對(duì)類似的項(xiàng)目或問(wèn)題時(shí)，要以專業(yè)的知識(shí)背景做鋪墊，積極的態(tài)度去面對(duì)整個(gè)過(guò)程。老師嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的研究態(tài)度，熱情謙和的待人方式，實(shí)事求是的處事原則都給我留下了深刻的印象，同時(shí)也在深深的影響著我。在整個(gè)課題研究的過(guò)程中，帶給我的不僅僅是一次畢業(yè)設(shè)計(jì)的成果，更多的是在這個(gè)過(guò)程中學(xué)會(huì)了要

14、有解決困難的決心和毅力，尋找解決困難的方法，這些都將會(huì)深深的印在我的腦海里，也會(huì)不斷地鼓勵(lì)我在以后的工作和生活中繼續(xù)進(jìn)取向前。在此，我謹(jǐn)記導(dǎo)師這四個(gè)月來(lái)對(duì)我的辛勤培養(yǎng)和耐心指導(dǎo)致以衷心的感謝和崇高的敬意。</p><p>　　衷心的感謝我同組的同學(xué)，周鵬，王琦，還有錢城同學(xué)。在他們的幫助下，一起學(xué)習(xí)，一起研究，讓整個(gè)研究過(guò)程進(jìn)行的順利，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)。</p><p>　　特別感謝

15、我的家人，對(duì)我的學(xué)業(yè)進(jìn)行無(wú)條件的支持，在精神上給我最大的鼓勵(lì)，使我能夠順利的完成研究，順利畢業(yè)。</p><p>　　最后，感謝各位答辯老師，在百忙之中抽出時(shí)間對(duì)我的論文進(jìn)行評(píng)閱和審議，我表示衷心的感謝。</p><p>　　再次感謝，在整個(gè)過(guò)程中幫助過(guò)我的所有人。</p><p><b>　　目 錄</b></p>&l

16、t;p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　致謝III</b></p><p><b>　　第一章 概述1</b></p><p>　　1.1 論文綜述1</p><p>　　

17、1.2 課題分析2</p><p><b>　　1.2.1任務(wù)2</b></p><p>　　1.2.2安排和方法2</p><p><b>　　1.2.3難點(diǎn)3</b></p><p>　　第二章 鏜銑機(jī)床機(jī)身設(shè)計(jì)和立柱設(shè)計(jì)4</p><p>　　2.1 床身設(shè)計(jì)

18、4</p><p>　　2.1.1 床身材料選擇4</p><p>　　2.1.2 壁厚的設(shè)計(jì)4</p><p>　　2.1.3機(jī)床床身的制造方法的選擇5</p><p>　　2.1.4鑄造床身強(qiáng)度校核5</p><p>　　2.2 立柱設(shè)計(jì)9</p><p>　　2.2.1. 立

19、柱材料的確定9</p><p>　　2.2.2 立柱過(guò)渡壁結(jié)構(gòu)（立柱截面）的確定10</p><p>　　2.2.3 立柱形體尺寸的確定10</p><p>　　2.2.4 立柱強(qiáng)度校核11</p><p>　　第三章 模態(tài)分析15</p><p>　　3.1立柱分析15</p><

20、;p>　　3.1.1 立柱結(jié)構(gòu)的三維模型及有限元建模 15</p><p>　　3.1.2 兩種工況 16</p><p>　　3.1.3 受力分析 17</p><p>　　3.1.4 立柱的約束 18</p><p>　　3.1.5 求解計(jì)算與分析結(jié)果 18</p><p>　　

21、3.1.6 立柱模態(tài)分析 21</p><p>　　3.1.7 小結(jié) 22</p><p>　　3.1 滑枕模態(tài)分析23</p><p>　　3.1.1滑枕三維模型23</p><p>　　3.1.2滑枕的有限元模型23</p><p>　　3.1.3 滑枕的模態(tài)分析24</p>&l

22、t;p>　　3.1.4 總結(jié)25</p><p>　　3.3 床身分析26</p><p>　　3.3.1 床身的受力分析26</p><p>　　3.3.2 床身的有限元模型26</p><p>　　3.3.3 床身靜力學(xué)分析 27</p><p>　　3.3.4 床身模態(tài)分析 30<

23、/p><p>　　3.3.5 小結(jié)31</p><p>　　3.4. 整機(jī)分析32</p><p>　　3.4.1 有限元模型 32</p><p>　　3.4.2 節(jié)點(diǎn)耦合 33</p><p>　　3.4.3 施加邊界條件和加載34</p><p>　　3.4.4

24、整機(jī)靜態(tài)分析 35</p><p>　　3.4.5 整機(jī)模態(tài)分析 35</p><p>　　3.4.6 小結(jié) 37</p><p><b>　　第四章 總結(jié)38</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)39</b></p><p><b>　　

25、插圖清單</b></p><p>　　圖 1-1 tk6920的結(jié)構(gòu)示意圖2</p><p>　　圖2-1-1 床身受力分析示意圖5</p><p>　　圖2-1-2 矩形截面梁受力分析6</p><p>　　圖2-1-3 矩形截面示意圖7</p><p>　　圖2-1-4 立柱位于床身中間受力示意

26、圖8</p><p>　　圖3-2-1 立柱截面10</p><p>　　圖3-1-1 立柱裝配主軸箱圖10</p><p>　　圖 3-1-2 立柱離散化模型圖16</p><p>　　圖3-1-3 立柱受力情況17</p><p>　　圖3-1-4 立柱的約束加載圖18</p>&l

27、t;p>　　圖3-1-5 銑削情況下立柱結(jié)構(gòu)位移云圖19</p><p>　　圖3-1-6 鏜削情況下立柱結(jié)構(gòu)位移云圖20</p><p>　　圖 3-1-7 立柱前六階模態(tài)圖22</p><p>　　圖3-2-1 滑枕三維模型23</p><p>　　圖3-2-2 滑枕劃分網(wǎng)格后的有限元模型23</p><

28、;p>　　圖 3-2-3 滑枕前六階模態(tài)圖25</p><p>　　圖 3-3-1 床身有限元模型及網(wǎng)格劃分圖26</p><p>　　圖 3-3-2 位置 1 床身受力分析27</p><p>　　圖 3-3-3 位置 1 床身有限元加載模型27</p><p>　　圖 3-3-4 位置 1 節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力等值線圖27<

29、/p><p>　　圖 3-3-5 位置 1 結(jié)構(gòu)總變形等值線圖27</p><p>　　圖 3-3-6 位置 3 床身受力分析28</p><p>　　圖 3-3-7 位置 2 節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力等值線圖28</p><p>　　圖 3-3-8 位置 2 結(jié)構(gòu)總變形等值線圖28</p><p>　　圖 3-3-9 位置

30、 3 床身受力分析29</p><p>　　圖 3-3-10位置 3 床身有限元加載模型29</p><p>　　圖 3-3-11位置 3 節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力等值線圖30</p><p>　　圖 3-3-12位置 3 結(jié)構(gòu)總變形等值線圖30</p><p>　　圖 3-3-13六階振型圖31</p><p>　　圖

31、 3-4-1整機(jī)三維模型32</p><p>　　圖 3-4-2整機(jī)三維模型33</p><p>　　圖 3-4-3整機(jī)滿負(fù)荷加工狀態(tài)34</p><p>　　圖 3-4-4整機(jī)靜力學(xué)分析35</p><p>　　圖 3-4-5整機(jī)前六階模態(tài)圖36</p><p><b>　　表格清單</b&

32、gt;</p><p>　　表 2-1常用鑄造金屬材料的鑄造性和結(jié)構(gòu)性特點(diǎn)4</p><p>　　表 2-2床身壁厚計(jì)算當(dāng)量尺寸對(duì)照表5</p><p>　　表 2-3鑄鐵機(jī)架常有材料9</p><p>　　表 2-4灰鑄鐵牌號(hào)、性能和用途9</p><p>　　表 2-5立柱壁厚設(shè)計(jì)當(dāng)量尺寸表10</

33、p><p>　　表 2-6肋板及肋條的基本結(jié)構(gòu)形式11</p><p>　　表 3-1-1銑削工況下的切削力計(jì)算條件16</p><p>　　表 3-1-2鏜削工況下的切削力計(jì)算條件17</p><p>　　表 3-1-3立柱結(jié)構(gòu)固有頻率、振幅及振型描述22</p><p>　　表 3-2-1滑枕結(jié)構(gòu)固有頻率、振幅

34、及振型描述25</p><p>　　表 3-3-1靜力學(xué)分析結(jié)果對(duì)比表30</p><p>　　表 3-3-2床身前六階模態(tài)31</p><p>　　表 3-4-1整機(jī)前 6 階模態(tài)36</p><p><b>　　第一章 概述</b></p><p>　　1.1 論文綜述<

35、/p><p>　　什么是機(jī)床？機(jī)床是能夠制造機(jī)器的機(jī)器，也是可以制造機(jī)床的機(jī)器。機(jī)床可以對(duì)金屬或者其他材料的胚料或工件進(jìn)行加工，得到想要的幾何形狀、尺寸精度和表面質(zhì)量。機(jī)械零件通常是通過(guò)機(jī)床加工制造出來(lái)的。機(jī)床是機(jī)械工業(yè)的基本生產(chǎn)設(shè)備，他的種類，質(zhì)量和加工效率直接影響到其他機(jī)械產(chǎn)品的生產(chǎn)技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)效益。因此，機(jī)床的現(xiàn)代化水平和規(guī)模，以及擁有機(jī)床的數(shù)量和質(zhì)量是一個(gè)國(guó)家工業(yè)發(fā)達(dá)程度的重要標(biāo)志之一。</p>

36、<p>　　機(jī)床是一種現(xiàn)代化工具，它可以進(jìn)行高效率、高精度、低成本加工。隨著科技的發(fā)展現(xiàn)代化制造水平的提高，工業(yè)制造的需要，對(duì)機(jī)床的加工要求也越來(lái)越高。經(jīng)過(guò)一系列的分析和研究，要想提高機(jī)床的抗震性，加工精度和效率，用提高機(jī)床的動(dòng)態(tài)性的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而提高機(jī)床的壽命和可靠性。為了找到方法提高機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性，需要對(duì)機(jī)床進(jìn)行模擬和分析，找到床身結(jié)構(gòu)的不足點(diǎn)，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而達(dá)到提高動(dòng)態(tài)特性的目的。分析方法的選擇有很多種，需要對(duì)

37、每種方法進(jìn)行了解，選擇最合適此研究的方法。</p><p>　　現(xiàn)在最常用的是計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)，Computer Aided Engineering，簡(jiǎn)稱CAE。計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)的提出就是要把工程（生產(chǎn)）的各個(gè)環(huán)節(jié)有機(jī)地組織起來(lái)，其關(guān)鍵就是將有關(guān)的信息集成，使其產(chǎn)生并存在于工程（產(chǎn)品）的整個(gè)生命周期。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）在如今的工業(yè)制造領(lǐng)域，設(shè)計(jì)人員可以在計(jì)算機(jī)的幫助下繪制各種類型的工程圖紙，并在顯示器上

38、看到動(dòng)態(tài)的三維立體圖后，直接修改設(shè)計(jì)圖稿，極大地提高了繪圖的質(zhì)量和效率。此外，設(shè)計(jì)人員還可以通過(guò)工程分析和模擬測(cè)試等方法，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行邏輯模擬，從而代替產(chǎn)品的測(cè)試模型（樣機(jī)），降低產(chǎn)品試制成本，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。計(jì)算機(jī)輔助工程的特點(diǎn)是以工程和科學(xué)問(wèn)題為背景，建立計(jì)算模型并進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真分析。一方面，CAE技術(shù)的應(yīng)用，使許多過(guò)去受條件限制無(wú)法分析的復(fù)雜問(wèn)題，通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬得到滿意的解答；另一方面，計(jì)算機(jī)輔助分析使大量繁雜的工程分析問(wèn)

39、題簡(jiǎn)單化，使復(fù)雜的過(guò)程層次化，節(jié)省了大量的時(shí)間，避免了低水平重復(fù)的工作，使工程分析更快、更準(zhǔn)確。在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、分析、新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)等方面發(fā)揮了重要作用。</p><p>　　目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)機(jī)床多采用計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)來(lái)進(jìn)行靜態(tài)、模態(tài)分析，其特點(diǎn)是以工程和科學(xué)問(wèn)題為背景，建立計(jì)算模型并進(jìn)行仿真分析。CAE技術(shù)應(yīng)用在機(jī)床上，一方面，使過(guò)去受條件限制無(wú)法分析的復(fù)雜問(wèn)題，通過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬來(lái)解答；另一方面，CAE 分析使大

40、量復(fù)雜的分析問(wèn)題簡(jiǎn)單化、層次化、節(jié)省了大量的時(shí)間，避免了低水平的重復(fù)工作，使得機(jī)床工程分析更快、更準(zhǔn)確。</p><p>　　數(shù)控機(jī)床行業(yè)是裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)行業(yè)，它不僅是先進(jìn)制造技術(shù)的載體，而且是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的最基本裝備，同時(shí)也關(guān)系到國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防事業(yè)戰(zhàn)略性得產(chǎn)業(yè)。世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家還將數(shù)控技術(shù)及數(shù)控裝備列為國(guó)家戰(zhàn)略物資，采取重大措施來(lái)豐滿自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)。 </p>

41、<p>　　TK6920 數(shù)控鏜銑床具有完整的數(shù)控功能，其加工工藝范圍廣，生產(chǎn)效率高。工件在一次裝夾中可以完成鏜孔、擴(kuò)孔、及銑削加工，可加工較高精度的復(fù)雜孔系及大直徑孔。tk6920的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1-1 所示：</p><p>　　圖 1-1 tk6920的結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　滑枕可在主軸箱內(nèi)移動(dòng)，鏜桿可在滑枕內(nèi)移動(dòng)；主軸箱可以沿立柱上、下運(yùn)動(dòng)；立柱連接在滑座上并

42、可以通過(guò)滑座在床身上滑動(dòng)。本機(jī)床可運(yùn)用于對(duì)大重型工件，如箱體、支架、機(jī)體、機(jī)座、 吊臂、車架等零件的孔系、平面以及槽等進(jìn)行加工，并可加工大直徑孔，是重型機(jī)械、機(jī)車車輛、礦山、冶金、鋼鐵、化工、發(fā)電、船舶、軍工等機(jī)械制造部門的必不可少的大型精密加工設(shè)備，加配數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)還可實(shí)行四面加工和多軸聯(lián)動(dòng)加工。</p><p>　　1.2 課題分析</p><p><b>　　1.2

43、.1 任務(wù)</b></p><p>　　本次課題主要以tk6920重型鏜銑數(shù)控機(jī)床為研究對(duì)象，對(duì)機(jī)床床身進(jìn)行設(shè)計(jì)及模態(tài)分析，對(duì)立柱進(jìn)行設(shè)計(jì)及模態(tài)分析，對(duì)滑枕，以及整機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析。繪制一張標(biāo)準(zhǔn)整機(jī)裝配圖，和兩張零件圖，和三維圖。</p><p>　　1.2.2安排和方法</p><p>　　首先，對(duì)床身進(jìn)行設(shè)計(jì)。第一對(duì)床身的材料進(jìn)行選擇，其次對(duì)床身的壁厚

44、進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，第三隊(duì)床身的制造方法進(jìn)行選擇，最后根據(jù)tk6920重型鏜銑機(jī)床的說(shuō)明書(shū)中提供的數(shù)據(jù)，對(duì)機(jī)身進(jìn)行強(qiáng)度校核。</p><p>　　然后進(jìn)行對(duì)立柱的設(shè)計(jì)計(jì)算。其步驟與床身類似。首先對(duì)立柱的材料進(jìn)行選擇，第二，對(duì)立柱截面進(jìn)行選擇確定。第三，對(duì)立柱的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。第四，進(jìn)行立柱壁厚的設(shè)計(jì)。第五，對(duì)立柱加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)。最后，對(duì)立柱進(jìn)行校核。</p><p>　　接下來(lái)是對(duì)上面已經(jīng)設(shè)計(jì)好的床

45、身和立柱進(jìn)行2維圖的繪制，用CAD軟件進(jìn)行繪圖。用solidworks進(jìn)行三維制圖，為接下來(lái)的模態(tài)分析做準(zhǔn)備。</p><p>　　第三部分，是模態(tài)分析。分別對(duì)滑枕，床身，立柱和整機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析。首先，我對(duì)ANSYS軟件進(jìn)行了一個(gè)整體的學(xué)習(xí)，包括模型的導(dǎo)入分析，算法的了解和選擇，靜態(tài)分析的作用，具體過(guò)程和結(jié)果的分析，以及模態(tài)分析的作用，具體過(guò)程和結(jié)果的分析。通過(guò)具體的學(xué)習(xí)之后，對(duì)ANSYS軟件有了一個(gè)詳細(xì)的了解，

46、接下來(lái)進(jìn)行課題部分的研究，并得出一定的得出結(jié)論，根據(jù)軟件分析的結(jié)果對(duì)比計(jì)算的結(jié)果，進(jìn)行一定的思考與反思。</p><p>　　最后，對(duì)整個(gè)研究過(guò)程進(jìn)行總結(jié)分析。</p><p><b>　　1.2.3難點(diǎn)</b></p><p>　　在研究整個(gè)課題過(guò)程中，存在很多難點(diǎn)。在剛開(kāi)始進(jìn)行調(diào)研時(shí)，重點(diǎn)在于需要對(duì)整個(gè)機(jī)床進(jìn)行調(diào)查和了解，包括鏜銑機(jī)床的功能

47、和發(fā)展過(guò)程，國(guó)內(nèi)外的專家對(duì)機(jī)床的整體研究設(shè)計(jì)和分析，以及優(yōu)化。剛開(kāi)始時(shí)，難點(diǎn)在于對(duì)床身和立柱的計(jì)算方面不知從何處下手進(jìn)行計(jì)算，后來(lái)通過(guò)詳細(xì)的受力分析，和一些參考書(shū)的指導(dǎo)，知道如何進(jìn)行校核，開(kāi)始計(jì)算。</p><p>　　在進(jìn)行靜力分析和模態(tài)分析的時(shí)候，仍然存在很大的難點(diǎn)。首先先要對(duì)整個(gè)軟件進(jìn)行整體的學(xué)習(xí)和熟練掌握。包括其中的計(jì)算方法的選擇，和算法的運(yùn)用，對(duì)于我來(lái)說(shuō)都是一個(gè)全新的知識(shí)，需要進(jìn)行整體的學(xué)習(xí)。在對(duì)軟件有

48、了了解之后，進(jìn)行靜力分析和模態(tài)分析。在起初的分析階段，網(wǎng)格劃分的不好，載荷計(jì)算的不正確，導(dǎo)致了整個(gè)結(jié)果與實(shí)際偏差較大。在經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)后，針對(duì)不同的模型，都找到一個(gè)較為合理的劃分方法。由于對(duì)方法掌握的熟練度不夠，倒置花費(fèi)了很多時(shí)間，并且效率低下，浪費(fèi)了很多不必要的時(shí)間。</p><p>　　第二章 床身和立柱設(shè)計(jì)</p><p><b>　　2.1.床身設(shè)計(jì)</b>

49、</p><p>　　2.1.1 床身材料選擇</p><p>　　作為銑鏜床的重要部件，銑鏜床工作時(shí)的大部分力都作用在床身上，因此床身的材料選擇非常重要，選擇合理，不但能滿足設(shè)計(jì)要求，而且能節(jié)約材料，降低成本，減輕自身重量。</p><p>　　表2-1 常用鑄造金屬材料的鑄造性和結(jié)構(gòu)性特點(diǎn)</p><p>　　對(duì)于銑鏜床，床身作為支撐

50、件，形狀復(fù)雜，并承受銑床的打不部分力，并且在工作時(shí)，床身震動(dòng)較為嚴(yán)重。</p><p>　　結(jié)合以上分析，灰鑄鐵件吸震性好，并能達(dá)到強(qiáng)度要求，且鑄造容易，經(jīng)濟(jì)性好，因此確認(rèn)灰鑄鐵銑鏜床床身的材料。</p><p>　　2.1.2 壁厚的設(shè)計(jì)</p><p>　　通過(guò)以上分析，由于銑鏜床床身要進(jìn)行砂模鑄造，查閱資料可知，其外壁可由當(dāng)量尺寸C來(lái)確定。</p>

51、;<p>　　(式中，L、B、H——床身的長(zhǎng)、寬、高。)</p><p>　　將L=0.7 B=0.62 H=1.3 代入</p><p><b>　　得C=1.1</b></p><p>　　由下表可得床身壁厚為10mm.</p><p>　　表2-2 床身壁厚計(jì)算當(dāng)量尺寸對(duì)照表&l

52、t;/p><p>　　2.1.3機(jī)床床身的制造方法的選擇</p><p>　　由于銑鏜床床身的材料選用鑄鐵，適于進(jìn)行鑄造，而且鑄造生產(chǎn)成本低，鑄造工藝靈活性大，幾乎不受零件大小、形狀、重量、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的限制，所以床身用鑄造方式制造出來(lái)。</p><p>　　鑄造方法可分為砂型鑄造和特種鑄造兩種，銑鏜床床身的鑄造屬于基本零件的鑄造，可采用砂型鑄造，主要原因是砂型鑄造較之

53、其它鑄造方法成本低、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)周期短。</p><p>　　2.1.4鑄造床身強(qiáng)度校核</p><p>　　在床身設(shè)計(jì)中，床身強(qiáng)度是一個(gè)重要的限制因素，因此必須進(jìn)行床身強(qiáng)度的校核。</p><p>　　床身長(zhǎng)度9152mm，沿床身縱向設(shè)計(jì)一些垂直筋板。</p><p>　　已知鋼的彈性模量 ，最大載荷。</p><

54、p>　　計(jì)算床身的慣性矩 ，</p><p>　　計(jì)算組合界面的形心距,</p><p>　　圖2-1-1 床身受力分析示意圖</p><p>　　由彎矩圖可見(jiàn)，左端梁段內(nèi)各橫截面的彎矩相等且為最大值，Mmax=523.9kN·m。所以這段梁上各橫截面均為危險(xiǎn)截面。由梁的正應(yīng)力強(qiáng)度條件式，工字鋼梁所需的彎曲截面系數(shù)為</p><p

55、>　　切應(yīng)力的分布規(guī)律與梁的橫截面形狀有關(guān)，所以對(duì)矩形截面梁受力分析。</p><p>　　根據(jù)《機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》書(shū)中指導(dǎo)，得到以下分析計(jì)算過(guò)程</p><p>　　圖2-1-2 矩形截面梁受力分析</p><p>　　式中：為離中性軸為y的橫線以下面積對(duì)中性軸之靜矩。</p><p>　　考慮到微塊頂面上相切的內(nèi)力系的合力 <

56、/p><p>　　由切應(yīng)力互等定理，橫截面上pq線處切應(yīng)力為</p><p>　　矩形截面如圖2-1-3</p><p><b>　　or</b></p><p><b>　　∴</b></p><p>　　說(shuō)明切應(yīng)力τ沿截面高度按拋物線規(guī)律變化。</p><

57、p><b>　　當(dāng)時(shí)，τ=0</b></p><p><b>　　當(dāng)y=0時(shí)，</b></p><p><b>　　考慮到</b></p><p>　　兩端簡(jiǎn)化為固定，繞y軸彎曲μ=0.5</p><p><b>　　mm</b></p>

58、<p>　　圖2-1-4 立柱位于床身中間受力示意圖</p><p>　　當(dāng)負(fù)載處于中間位置時(shí)，可知A,B界面的最大負(fù)彎矩相當(dāng)，數(shù)值上小于C界面的最大彎矩，但因中性軸不是截面的對(duì)稱軸，最大拉應(yīng)力的點(diǎn)和最大壓應(yīng)力的點(diǎn)至中性軸的距離不等。所以最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力不一定都發(fā)生在最大彎矩的界面上，即A,B,C三個(gè)界面都可能是危險(xiǎn)界面。</p><p>　　C點(diǎn)截面的剪力最大，該截

59、面上的切應(yīng)力為</p><p>　　最大彎矩發(fā)生在C端界面，其值為：</p><p>　　可見(jiàn)滿足梁的正應(yīng)力強(qiáng)度要求。</p><p><b>　　2.2 立柱設(shè)計(jì)</b></p><p>　　2.2.1.立柱材料的確定</p><p>　　立柱采用灰鑄鐵利用樹(shù)脂砂型鑄造而成，均經(jīng)過(guò)完全退火處理

60、，消除殘留內(nèi)應(yīng)力。具有抗振性好、接近零件形狀和尺寸、成本低廉、工藝靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)。</p><p><b>　　灰鑄鐵件的特點(diǎn)：</b></p><p>　?、?耐磨性與消震好。由于鑄鐵中石墨有利于潤(rùn)滑及貯油，所以耐磨性好。同樣，由于石墨的存在，灰口鑄鐵的消震性優(yōu)于鋼。</p><p>　　② 工藝性能好。由于灰口鑄鐵含碳量高，接近于共晶成分，

61、故熔點(diǎn)比較低，流動(dòng)性良好，收縮率小，因此適宜于鑄造結(jié)構(gòu)復(fù)雜或薄壁鑄件，另外，由于石墨使切削加工時(shí)易于形成斷屑，所以灰口鑄鐵的可切削加工性優(yōu)于鋼。</p><p>　　表 2-3 鑄鐵機(jī)架常有材料</p><p>　　對(duì)比上表，選用HT250做為立柱的材料。查表可知灰鑄鐵牌號(hào)、性能和用途：</p><p>　　表2-4 灰鑄鐵牌號(hào)、性能和用途</p>&

62、lt;p>　　2.2.2立柱過(guò)渡壁結(jié)構(gòu)（立柱截面）的確定</p><p>　　參考相關(guān)資料，考慮立柱內(nèi)部空間用于安放平衡錘，設(shè)定立柱截面如下圖所示：</p><p>　　圖2-2-1 立柱截面</p><p>　　但是提高導(dǎo)軌過(guò)渡壁的剛度，只有在提高大件本體剛度的前提下，才是有效的。提高大件本體剛度的主要措施：一是合理的選擇截面形狀和壁厚，二是合理的布置加強(qiáng)筋

63、。</p><p>　　2.2.3 立柱形體尺寸的確定</p><p>　　設(shè)計(jì)中，按照設(shè)計(jì)宗旨：薄壁多筋，既增加立柱剛度，又沒(méi)有增加過(guò)多的重量。</p><p><b>　　1、立柱高度的確定</b></p><p>　　根據(jù)立柱上主要部件的計(jì)算和選取，分析立柱高度。根據(jù)設(shè)計(jì)要求Z軸行程為3000 mm ，主軸鼻端至

64、工作臺(tái)面最小距離為100 mm ，預(yù)留工作臺(tái)高度為300 mm ，行程余量預(yù)設(shè)計(jì)為50mm，主軸箱安裝預(yù)留尺寸為350mm，由此可以初步確定立柱總高度為3800mm。</p><p><b>　　2、立柱壁厚的確定</b></p><p>　　機(jī)床大件結(jié)構(gòu)的壁厚確定，首先要根據(jù)構(gòu)件截面慣性矩的要求，除了考慮結(jié)構(gòu)的截面形狀和板壁孔等影響以外，還要考慮結(jié)構(gòu)工藝要求。<

65、;/p><p>　　（1）鑄造結(jié)構(gòu)壁厚的確定 </p><p>　　鑄鐵的彈性模量是不穩(wěn)定的，支承大件的壁厚，應(yīng)根據(jù)鑄造工藝要求，盡可能選擇薄一點(diǎn)。按照當(dāng)前的鑄造工藝水平，砂模鑄造的最薄壁厚的推薦值，見(jiàn)表：</p><p>　　2-5 立柱壁厚設(shè)計(jì)當(dāng)量尺寸表</p><p><b>　　表中的當(dāng)量尺寸c為</b><

66、/p><p>　　C=(2L+B+H)/3</p><p>　　式中：C——當(dāng)量尺寸</p><p>　　L——鑄鐵的長(zhǎng)度（m）；</p><p>　　B——鑄鐵的寬度（m）；</p><p>　　H——鑄鐵的高度（m）；</p><p>　　則 C=(2L+B+H)/3=（2×0.

67、5+0.43+1.6）÷3=1.01</p><p>　　從計(jì)算值和表可知，立柱壁厚最小因大于或等于12 mm，考慮過(guò)渡承載與立柱前壁受力大的情況，以及在凸臺(tái)和導(dǎo)軌等的連接處，壁厚適當(dāng)加厚，所以立柱安裝導(dǎo)軌處壁厚取38 mm，其他壁厚取25 mm。如下圖所示：</p><p><b>　　3、立柱加強(qiáng)肋設(shè)計(jì)</b></p><p>　

68、　（1）立柱截面形狀的畸變</p><p>　　機(jī)床的大型立柱，在通過(guò)導(dǎo)軌單邊引進(jìn)載荷的情況下，如果板壁剛度不足，輕則會(huì)出現(xiàn)板壁顛振或噪聲，重則會(huì)使立柱截面產(chǎn)生畸變。不僅板壁會(huì)出現(xiàn)屈曲變形，而且四個(gè)棱角也不能保持直角。所以截面現(xiàn)狀畸變，會(huì)大大消弱結(jié)構(gòu)的抗扭剛度和固有頻率。</p><p>　?。?）立柱內(nèi)板壁加強(qiáng)肋的選擇和設(shè)計(jì)</p><p>　　為了防止板壁顛振和

69、畸變的主要措施是提高板壁剛度（確切的說(shuō)是提高固有頻率），把導(dǎo)軌引進(jìn)的集中載荷，通過(guò)加強(qiáng)筋轉(zhuǎn)移和分散到立柱的整個(gè)截面的板壁上。</p><p>　　表2-6 肋板及肋條的基本結(jié)構(gòu)形式</p><p>　　所以選用縱橫組合肋板，設(shè)計(jì)作為立柱內(nèi)壁的結(jié)構(gòu)。</p><p>　　2.3.4 立柱校核</p><p>　　立柱受力分析，當(dāng)滑枕處于立柱上端

70、時(shí)，A端受彎矩M</p><p>　　Fn=160KN, ， ， </p><p>　　校核立柱的強(qiáng)度，由設(shè)計(jì)手冊(cè)中查的截面面積 </p><p>　　泊松比：u=0.26</p><p>　　彈性模量:E=1 .45e11 (N/m2)</p><p>　　密度:ρ =7400(kg/m3)</p>&

71、lt;p><b>　　滿足強(qiáng)度要求</b></p><p>　　根據(jù)胡可定律，求出立柱的的變形為：</p><p><b>　　對(duì)立柱進(jìn)行撓度計(jì)算</b></p><p>　　當(dāng)滑枕處于立柱上端時(shí)，A端受彎矩M</p><p><b>　　對(duì)立柱進(jìn)行撓度計(jì)算</b><

72、;/p><p><b>　　第三章 模態(tài)分析</b></p><p><b>　　3.1立柱分析</b></p><p>　　3.1.1 立柱建模 </p><p>　　TK6920 數(shù)控鏜銑床是一種加工方式多樣的多用途機(jī)床，可以實(shí)現(xiàn)鏜孔、銑削加工等，也可以加工精度較高的復(fù)雜孔系及大的直徑孔。在不同

73、的加工方式下，立柱所受的載荷大小也是不同的，這就需要確定一種對(duì)于立柱來(lái)說(shuō)較危險(xiǎn)的加工環(huán)境。本節(jié)就針對(duì)銑削、鏜削兩種情況的切削力分別進(jìn)行討論。 </p><p>　　建模時(shí)同樣采用 SolidWorks 軟件，為了防止載荷傳遞不準(zhǔn)確，把立柱連同主軸箱、滑枕與鏜桿結(jié)構(gòu)裝配在一起進(jìn)行建模，然后采用 ANSYS 的布爾運(yùn)算粘結(jié)(GLUE)模擬聯(lián)接。同時(shí)還要確定立柱的危險(xiǎn)工況，根據(jù)機(jī)床廠技術(shù)人員的建議，把主軸箱放置

74、于其行程 1/2 的立柱導(dǎo)軌上，滑枕從主軸箱中伸出 400mm，鏜桿從滑枕中伸出 1000mm時(shí)機(jī)床進(jìn)行滿負(fù)荷加工是最危險(xiǎn)的工況。</p><p>　　建立立柱、主軸箱、滑枕、鏜桿的整體裝配模型，然后利用 SolidWorks 軟件和 ANSYS 軟件的數(shù)據(jù)接口程序，將模型非常準(zhǔn)確地導(dǎo)入到 ANSYS 軟件中，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行網(wǎng)格劃分等操作，建立立柱裝配體的有限元模型。如圖3-3-1</p><

75、p>　　圖3-1-1 立柱裝配主軸箱圖</p><p>　　在建模過(guò)程中對(duì)一些對(duì)局部變形作用不大的結(jié)構(gòu)予以簡(jiǎn)化，對(duì)應(yīng)力作用有較大影響的一些局部特征，如大螺栓孔等給與保留，而對(duì)于一些對(duì)局部變形作用不大，對(duì)應(yīng)力也不作用大的一些局部特征，如圓角倒角等特征給與簡(jiǎn)化。綜合考慮各種因素，在保證準(zhǔn)確性的前提下得到TK6920型鏜銑床的立柱的有限元離散化模型模型。</p><p>　　在ANSYS

76、中導(dǎo)入立柱結(jié)構(gòu)模型，利用軟件自身所帶的智能劃分網(wǎng)格功能，由于此立柱結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，建模時(shí)立柱在SolidWorks中就比較復(fù)雜，因此導(dǎo)入ANSYS之后采用ANSYSY智能網(wǎng)格劃分，根據(jù)機(jī)床出具和計(jì)算機(jī)本身的情況，我選擇了8級(jí)精度，solid185單元建立了劃分網(wǎng)絡(luò)后的立柱離散化模型圖，如圖 3-1-2。</p><p>　　如圖 3-1-2 立柱離散化模型圖</p><p><b&g

77、t;　　3.1.2兩種工況</b></p><p>　　為了得到立柱的最大應(yīng)力應(yīng)變值，就需要機(jī)床在滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)情況下的極限加工方式。但是TK6920 數(shù)控鏜銑床是一種加工方式多樣的多用途機(jī)床，可以進(jìn)行銑削，鏜削的加工。在兩種不同加工方式下，其機(jī)床所受載荷也是不同的，因此下面將分別討論這兩種情況： </p><p>　?。?） 機(jī)床在銑削加工時(shí),計(jì)算條件如下表:</p>

78、<p>　　表 3-1-1 銑削工況下的切削力計(jì)算條件</p><p>　　由此條件計(jì)算得到主切削力 Fc = 23221.24N，徑向切削力 Fz = 21945.30N，軸向切削力 Fx =12191.15N。此時(shí)機(jī)床受到最大徑向切削力。 </p><p>　?。?） 機(jī)床在鏜削加工時(shí)，計(jì)算條件如下表：</p><p>　　表 3-1-2 鏜削工況

79、下的切削力計(jì)算條件</p><p>　　由此條件計(jì)算得到主切削力 Fc = 8122.68N，徑向切削力 Fz = 3827.20N，軸向切削力 Fx =4061.00 N。此時(shí)機(jī)床受到最大切削扭矩 5000N·M，但各向受力都較小，因此在立柱靜力分析時(shí)不考慮這種情況。</p><p>　　3.1.3 受力分析 </p><p>　　立柱結(jié)構(gòu)在機(jī)

80、床滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)加工時(shí)的受力情況如圖3-2-1：</p><p>　　圖3-1-3 立柱受力情況</p><p>　　(1)立柱自身的重力</p><p>　　根據(jù)立柱的材料及材料的密度，材料為 HT300，密度為 7300kg/m3，用SolidWorks建模，并</p><p>　　得出立柱重力為209430N。</p>&l

81、t;p>　　(2)滑枕裝配體的重力根據(jù)機(jī)床的整體三維建模，得出的重力為55310N。</p><p>　　(3)主軸箱的重力根據(jù)同組人員主軸箱的建模，可知主軸箱的重力56820N。</p><p>　　3.1.4 立柱的約束 </p><p>　　螺栓將立柱與滑座完全固連，滑枕可在床身上移動(dòng)。由于螺栓緊固的作用，我們將立柱底面設(shè)為全約束。</p>

82、<p>　　經(jīng)過(guò)以上受力分析，將約束與各個(gè)作用力施加在有限元模型上，得出了立柱的約束加載圖。</p><p>　　3-1-4 立柱的約束加載圖</p><p>　　3.1.5 求解計(jì)算與分析結(jié)果 </p><p>　　進(jìn)入求解器 Main Menu>Solution>Slove>Current LS 求解。求解完成后，進(jìn)入通用后處理器觀

83、察計(jì)算結(jié)果并得到立柱結(jié)構(gòu)的位移云圖和應(yīng)力云圖。 </p><p>　　從立柱結(jié)構(gòu)在銑削時(shí)的位移場(chǎng)分布云圖可以看出由于立柱受力而引起的變形在立柱右側(cè)導(dǎo)軌與立柱頂面相交處達(dá)到最大值。</p><p>　　(1)銑削時(shí)的位移場(chǎng)分布如圖 3-1-5 所示：</p><p>　　a) 總體位移云圖 b) X 方向位移云圖</p&g

84、t;<p>　　c) Y 方向位移云圖 d) Z 方向位移云圖</p><p>　　圖 3-1-5 銑削情況下立柱結(jié)構(gòu)位移云圖</p><p>　　最大位移為 0.0211mm。其中 X 向最大位移為 0.0021mm，發(fā)生在立柱左側(cè)面的上部；Y 向最大位移為 0.0103mm，發(fā)生在立柱后面與頂面接觸處；Z 向最大位移為 0.0197

85、mm，發(fā)生在立柱導(dǎo)軌與頂面接觸處。立柱在 X 向剛度較好，而在 Y 向和 Z 向變形較大，這與立柱本身結(jié)構(gòu)和受力特點(diǎn)有關(guān)，因?yàn)榱⒅鶠橹鶢罱Y(jié)構(gòu)，下端面完全固定，立柱上端面受到較大壓力，但是變形值并不大，符合實(shí)際情況。 </p><p>　　立柱結(jié)構(gòu)的剛性反映在整個(gè)機(jī)床加工精度上，主要是其導(dǎo)軌面的變形，尤其是與主軸箱接觸部分的變形，在立柱銑削時(shí)的位移云圖上這一點(diǎn)表現(xiàn)的非常明顯。特別是 Z 向的最大位移發(fā)生在導(dǎo)軌面上，

86、這對(duì)機(jī)床的加工精度具有一定影響?？傮w來(lái)看立柱導(dǎo)軌特別是主軸箱所在位置的變形最大不超過(guò) 0.01mm，這說(shuō)明立柱的剛度很好，完全符合加工要求。在立柱導(dǎo)軌的中段，可以考慮加強(qiáng)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如添加加強(qiáng)筋等措施，來(lái)更進(jìn)一步提高其剛度，進(jìn)而提高整體機(jī)床的加工精度。</p><p>　　(2) 鏜削時(shí)的位移場(chǎng)分布如圖 3-1-6 所示：</p><p>　　a) 總體位移云圖

87、 b) X 方向位移云圖</p><p>　　c) Y 方向位移云圖 d) Z 方向位移云圖</p><p>　　圖 3-1-6 鏜削情況下立柱結(jié)構(gòu)位移云圖</p><p>　　最大位移為 0.009mm。其中 X 向最大位移為 0.0022mm，發(fā)生在立柱左側(cè)面的上部；Y 向最大位移為

88、 0.0007mm，發(fā)生在立柱下半部分；Z 向最大位移為 0.0014mm，發(fā)生在立柱導(dǎo)軌與主軸箱接觸處的位置。無(wú)論是 X 方向、Y 方向還是 Z 方向的位移都很小，說(shuō)明在鏜削情況下立柱整體變形小，加工穩(wěn)定，精度較高而且保持性好。</p><p>　　3.1.6 立柱結(jié)構(gòu)模態(tài)分析 </p><p>　　采用 Block Lanczos 法分別提取前六階的固有頻率和振型，如圖 3-1-

89、7所示：</p><p>　　a) 第一階模態(tài)圖 b) 第二階模態(tài)圖</p><p>　　c) 第三階模態(tài)圖 d) 第四階模態(tài)圖</p><p>　　e) 第五階模態(tài)圖 f) 第六階模態(tài)圖</p>

90、;<p>　　圖 3-1-7 立柱前六階模態(tài)圖</p><p>　　表 3-1-3 立柱結(jié)構(gòu)固有頻率、振幅及振型描述</p><p>　　從前六階固有頻率可以看出，立柱的固有頻率均在 58Hz 以上，且以整體振型居多，充分體現(xiàn)立柱結(jié)構(gòu)整體的剛度較好，結(jié)構(gòu)尺寸均勻，內(nèi)部筋板布置有序合理。通過(guò)觀察可以發(fā)現(xiàn)，由于 TK6920 機(jī)床的立柱采用底部固定的方式，且立柱尺寸大，因此在大

91、部分階次下，立柱上端振幅較大，振型明顯。最大振幅出現(xiàn)在第六階模態(tài)里，但是對(duì)機(jī)床影響較大的主要是前幾階模態(tài)，因此不考慮最大振幅。較大的振幅出現(xiàn)在第五、第六階模態(tài)處，此時(shí)立柱處于張合振動(dòng)的振型，上端振型明顯，可以考慮加強(qiáng)頂板處板厚及加強(qiáng)上端筋板。 </p><p>　　3.1.7 小結(jié) </p><p>　　本章利用有限元軟件 ANSYS 對(duì)數(shù)控銑床的立柱進(jìn)行有限元模態(tài)分析， 利用 LA

92、NCZOS 法擴(kuò)展了前六階模態(tài)，獲得了立柱的固有頻率和振型。結(jié)合靜態(tài)與模態(tài)分析結(jié)果表明，立柱的固有頻率較大，動(dòng)態(tài)性能較好，但結(jié)構(gòu)存在剛度不均的現(xiàn)象，立柱固有頻率值局部較為密集，反映了其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。有很大的改進(jìn)空間。</p><p>　　3.2 滑枕模態(tài)分析</p><p>　　滑枕是整個(gè)機(jī)床中重要的零部件之一，在進(jìn)行零件加工時(shí)，容易產(chǎn)生彎曲變形，導(dǎo)致加工軸線變化，進(jìn)而影響對(duì)零件的加工精度

93、。為滑枕建立有限元模型，進(jìn)行分析后，根據(jù)云圖顯示，就可以清楚的分析出滑枕的靜態(tài)載荷受力，和動(dòng)態(tài)振型彎曲變量等等為了能夠清楚的分析出滑枕的靜態(tài)和承受載荷時(shí)的彎曲變形量。 </p><p>　　3.2.1滑枕三維模型</p><p>　　根據(jù)已知條件，滑枕長(zhǎng)3.6 m，寬0.48 m，高0.52 m，將其安裝在主軸箱上，其最大行程為1.2 m。由于模型較為復(fù)雜，為方便進(jìn)行有限元分析，因此適當(dāng)簡(jiǎn)

94、化模型中的倒角、小圓角等，簡(jiǎn)化后的模型如圖3-1所示。</p><p>　　圖3-2-1 滑枕三維模型</p><p>　　3.2.2滑枕的有限元模型</p><p>　　因?yàn)榛淼膸缀误w外形不規(guī)則，所以在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，采用solid185 單元構(gòu)造三維實(shí)體結(jié)構(gòu)，將單元通過(guò)8 節(jié)點(diǎn)來(lái)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有沿著X、Y、Z 方向平移的3 個(gè)自由度。圖2 為進(jìn)行網(wǎng)格劃分后的有

95、限元模型。</p><p>　　圖3-2-2 滑枕劃分網(wǎng)格后的有限元模型</p><p>　　要對(duì)模型進(jìn)行有限元分析必須明確滑枕的受力情況，滑枕所受載荷主要是：主軸箱對(duì)其作用力Fr，通過(guò)滑枕與主軸箱接觸處的導(dǎo)軌板和鑲條作用在滑枕上；滑枕裝配體內(nèi)部零件對(duì)滑枕的重力G；機(jī)床加工時(shí)產(chǎn)生的切削力Fm等。將滑枕伸出主軸箱400 m作為主要工況分析，經(jīng)過(guò)計(jì)算Fr分別為98 836 N，G=50 000

96、 N，F(xiàn)m1=27 525 N。邊界條件包括部件的約束條件、剛性位移等是有限元計(jì)算中的關(guān)鍵因素。根據(jù)設(shè)計(jì)，滑枕底面通過(guò)4 個(gè)導(dǎo)軌板與主軸箱連接，接觸面做X與Z向約束，同時(shí)滑枕與主軸箱左右兩側(cè)鑲條接觸面做Z向約束?；聿牧蠈?duì)應(yīng)的楊氏模量為1.45×1011 Pa，泊松比為0.27。</p><p>　　3.2.3 滑枕的模態(tài)分析</p><p>　　模態(tài)分析關(guān)心的是結(jié)構(gòu)的固有頻率特

97、性， 對(duì)滑枕進(jìn)行模態(tài)分析，可以得到其動(dòng)態(tài)特性。分析中采用Lanczos 法，該方法根據(jù)載荷空間分布模式按一定規(guī)律生成一組向量， 將系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程轉(zhuǎn)換到其向量空間后，求解減縮的標(biāo)準(zhǔn)特征值問(wèn)題，通過(guò)坐標(biāo)系的變換得到系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程的全部或部分特征解。</p><p>　　滑枕的動(dòng)態(tài)性能反映其結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)切削力作用下的抗振能力，考慮到機(jī)床的工作頻帶，滑枕的前幾階模態(tài)起到重要作用。這里對(duì)滑枕伸出主軸箱400m工作狀態(tài)進(jìn)行模態(tài)分析

98、。表3-1-1顯示了在這種工況下前六階固有頻率計(jì)算結(jié)果， 在滑枕工作時(shí)，外界激振頻率應(yīng)遠(yuǎn)離第1、2 階固有頻率，防止產(chǎn)生共振現(xiàn)象，造成加工誤差。前六階模態(tài)變形云圖見(jiàn)圖3-2-3。</p><p>　　a) 第一階模態(tài)圖 b) 第二階模態(tài)圖</p><p>　　c) 第三階模態(tài)圖

99、d) 第四階模態(tài)圖</p><p>　　e) 第五階模態(tài)圖 f) 第六階模態(tài)圖</p><p>　　圖 3-2-3 滑枕前六階模態(tài)圖</p><p>　　表 3-2-1 滑枕結(jié)構(gòu)固有頻率、振幅及振型描述</p><p>　　從前六階固有頻率可以看出，滑枕的固有頻率相差不大。前幾

100、階固有頻率較高，滑枕整體動(dòng)態(tài)性能較好?；淼牡谝还?jié)頻率是182.68Hz，可以滿足低速加工的需求，第4階和第5階的頻率相差較大，但是振型相似，且第5階的振幅最大。，滑枕的固有頻率很大，在工作時(shí)可以避免發(fā)生共振，這表明滑枕整體結(jié)構(gòu)的剛度較好，尺寸均勻，抗震性能較好。</p><p><b>　　3.2.4 總結(jié)</b></p><p>　　本節(jié)建立了大型落地鏜銑床滑枕的

101、三維模型， 并對(duì)模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，將模型導(dǎo)入有限元軟件中，得到了滑枕的有限元模型， 對(duì)所得模型進(jìn)行了靜力分析和模態(tài)分析。</p><p><b>　　3.3 床身分析</b></p><p>　　TK6920重型鏜銑數(shù)控機(jī)床主要零部件有，床身，立柱，滑枕，主軸箱等組成。床身在整個(gè)機(jī)床中有相當(dāng)重要的作用，它位于機(jī)床最底部，對(duì)整個(gè)機(jī)床其支撐作用。床身上有一個(gè)導(dǎo)軌滑塊，可以

102、讓立柱在床身上進(jìn)行移動(dòng)。床身主要承受整個(gè)機(jī)床的載荷，所以要求床身具有良好的剛度和抗震性能。</p><p>　　3.3.1 床身的受力分析 </p><p>　　在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，床身底部的設(shè)計(jì)是用38個(gè)螺栓將床身底部與地基連接起來(lái)，地基與機(jī)床的接觸面積過(guò)大，所以在分析時(shí)不考慮地基的影響，只是在與地基接觸的所有節(jié)點(diǎn)上加載與底面固定的約束。 </p><p>　　(1

103、). 床身自身的重力 </p><p>　　床身的尺寸為：9152×2012×650(單位：mm)； </p><p>　　材料為HT300，密度為 7400kg/m3,用 SolidWorks 自帶的計(jì)算工具得出床身重力為 203998N </p><p>　　(2). 立柱、滑座、主軸箱、滑枕、后尾筒、電機(jī)、配重等的重力為 500000N

104、</p><p>　　3.3.2床身的有限元模型</p><p>　　用SolidWorks軟件創(chuàng)建床身的三維模型，然后將三維模型導(dǎo)入ANSYS軟件中，進(jìn)行網(wǎng)格劃分最后進(jìn)行有限元模型分析。</p><p>　　床身底部為了加強(qiáng)剛度，設(shè)計(jì)成不規(guī)則的幾何形狀，所以在ANSYS網(wǎng)格劃分時(shí)，使用使用SOLID185的三維8節(jié)點(diǎn)六面體單元。</p><p&

105、gt;　　床身材料是灰鐵 HT300,具體參數(shù)如下：</p><p>　　泊松比：u=0.26</p><p>　　彈性模量:E=1 .45e11 (N/m2)</p><p>　　由于床身結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，所以在進(jìn)行網(wǎng)格劃分的時(shí)候選用智能網(wǎng)格劃分，6級(jí)精度，SOLID185單元。劃分網(wǎng)格后的床身有限元模型如圖3-3-1所示:</p><p>　

106、　圖 3-3-1 床身有限元模型及網(wǎng)格劃分圖</p><p>　　3.3.3 床身靜力學(xué)分析 </p><p>　　在進(jìn)行靜力學(xué)分析時(shí)，取兩個(gè)極限位置和一個(gè)中間位置進(jìn)行分析。分別是滑座處在機(jī)身最左端、最右段和中間這三個(gè)情況，分析比較其剛度和強(qiáng)度。 </p><p>　　情況一：力均勻加載在床身的最左端的三條導(dǎo)軌面上，如圖 3-3-1、圖 2-3 所示：</

107、p><p>　　圖 3-3-2 位置 1 床身受力分析</p><p>　　圖 3-3-3 位置 1 床身有限元加載模型</p><p>　　通過(guò)ANSYS 軟件進(jìn)行靜力學(xué)分析，結(jié)果如圖 3-3-4、3-3-5 所示：</p><p>　　圖 3-3-4 位置 1 節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力等值線圖 圖 3-3-5 位置 1 結(jié)構(gòu)總變形等值線圖</

108、p><p>　　從云圖上可以看出，床身的最大變形值為 0.0134mm，發(fā)生于床身 1左側(cè)的中間導(dǎo)軌面上，受影響區(qū)域大致和加載均勻載荷的區(qū)域一致。利用材料力學(xué)的相關(guān)知識(shí)分析其原因是由于床身左側(cè)四分之一段承載了立柱、主軸箱、滑枕等所有的重力。從床身功能角度考慮，床身導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)變形的趨勢(shì)是導(dǎo)軌 X軸方向間距變大，而床身 Y 方向的變形極其微小，因此產(chǎn)生的變形并不影響床身上的滑座在導(dǎo)軌上的穩(wěn)定滑動(dòng)（Z 方向），完全符合功能要

109、求。但如果要求滑座在床身導(dǎo)軌上以較高速度頻繁移動(dòng)，加載在床身上的均勻載荷可能會(huì)降低 Z方向的移動(dòng)精度，此時(shí)就需要考慮改進(jìn)床身的導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，減小變形量。</p><p>　　情況二：力均勻加載在床身 1 與 2 結(jié)合處的三條導(dǎo)軌面上，如圖 3-3-6、圖3-3-7所示： </p><p>　　圖 3-3-6 位置 3 床身受力分析</p><p>　　圖 3-3-7

110、 位置 2 床身有限元加載模型</p><p>　　通過(guò)ANSYS 軟件進(jìn)行靜力學(xué)分析，結(jié)果如圖 3-3-7、3-3-8 所示： </p><p>　　圖 3-3-7 位置 2 節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力等值線圖 圖 3-3-8 位置 2 結(jié)構(gòu)總變形等值線圖</p><p>　　從結(jié)構(gòu)總變形的結(jié)果分析，床身的最大變形值為 0.0141mm，發(fā)生于床身 1、2 連接處的中間導(dǎo)

111、軌的側(cè)面上，變形區(qū)域較小，集中于兩床身連接處?；趯?dǎo)軌面上運(yùn)動(dòng)至兩床身連接處時(shí)，由于兩床身連接處的剛度較床身中間段差，變形的趨勢(shì)除了 X 方向還有 Y 方向（垂直床身向上），但當(dāng)前施加的載荷所產(chǎn)生的變形量不大，對(duì)床身上的滑座在導(dǎo)軌上的穩(wěn)定滑動(dòng)（Z 方向）也不會(huì)產(chǎn)生較大的影響。如果載荷再大一些，滑座在導(dǎo)軌面上運(yùn)動(dòng)至兩床身連接處，床身可能會(huì)有壓潰變形發(fā)生，同時(shí)更大的 Y 方向變形對(duì)加工精度有較大的影響，有必要建議優(yōu)化兩床身的連接和導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)

112、。</p><p>　　情況三：力均勻加載在床身 2 的最右端的三條導(dǎo)軌面上，如圖 3-3-9、圖 3-3-10所示：</p><p>　　圖 3-3-9 位置 3 床身受力分析</p><p>　　圖 3-3-10 位置 3 床身有限元加載模型</p><p>　　通過(guò)ANSYS 軟件進(jìn)行靜力學(xué)分析，結(jié)果如圖 3-3-11、3-3-12

113、所示： </p><p>　　圖 3-3-11 位置 3 節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力等值線圖 圖 3-3-12 位置 3 結(jié)構(gòu)總變形等值線圖</p><p>　　從圖 2-13 的結(jié)果分析，床身的最大變形值為 0.00963mm，發(fā)生在床身 2 的右側(cè)導(dǎo)軌的內(nèi)側(cè)面上，變形區(qū)域和加載均勻載荷的區(qū)域大致一致，變形值較小，不影響滑座在導(dǎo)軌面上運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性以及主軸的加工精度。本情況和討論的第一種情況類似

114、，具體分析不再贅述。 </p><p>　　滑座所處的三個(gè)極端位置的靜力學(xué)分析如表 3-3-1 所示：</p><p>　　表 3-3-1 靜力學(xué)分析結(jié)果對(duì)比表</p><p>　　床身的材料是 HT300，它的強(qiáng)度極限為 250MPa，從上表中看出，這三種情況的最大應(yīng)力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于它的屈服極限，滿足剛度、強(qiáng)度要求。</p><p>　　3.

115、3.4 床身模態(tài)分析 </p><p>　　采用 Block Lanczos 法提取前 6 階的固有頻率和振型，如圖 3-3-12 所示，各階頻率如表 3-3-2 所示：</p><p>　　一階振型 二階振型</p><p>　　三階振型 四階振型<