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某型重型数控机床滑枕设计及温度场仿真分析开题报告 班级(学号):2010010173 姓名:周鹏 指导教师 :孙江宏 一、综述本课题研究的意义、研究的现状及已有成果1、1课题来源“某型重型数控机床滑枕设计及温度场仿真分析”课题是国家“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项重型数控机床关键共性技术创新能力平台课题的子项目。以齐齐哈尔第二机床厂生产的TK6920重型数控镗铣床为研究对象,运用有限元思想,借助一系列的软件对机床的滑枕以及温度场仿真分析从而达到提高机床加工精度的目的。1、2课题背景重型数控落地镗铣机床的研究分析起源于上世纪50年代起,国外特别是美、德、日三国是当今世上在数控重型机床科研、设计、制作和应用上,技巧最先进、经验最多的国家。美国的数控机床的主机设计、制作及数控系统基础扎实,且一贯器重科研和创新,故其高性能数控机床技巧在世界也一直领先。德国的数控机床质量及性能良好、先进实用、货真价实,出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密数控机床。德国特别器重数控机床主机及配套件之先进实用,其机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统、各种功效部件,在质量、性能上居世界前列。日本充分发展大批生产自动化,继而全力发展中小批柔性生产主动化的数控机床。国内中国在1958年研制出第一台数控机床,通过不懈努力,在50余年间,数控机床的设计和制作技巧有较大前进,但是机床结构的设计多半仍然处于经验设计,设计计算时使用一般的结构计算方法,虽然这些计算具有可靠性、科学性,但是对于复杂的机床结构仅有计算和试验是不够的。这导致国内重型数控落地镗铣机床产品和国外产品还存在着很大的差距。1、3研究意义我国是制造大国,工业制造是国家的经济命脉。随着现代工业的发展以及工艺水平的提高,高效率、高精度、低成本加工性能机床的需求越来越多,而且随着加工产品的大型化,自动化的趋势,重型数控落地镗铣机床的需求量越来越高。重型数控落地式镗铣床已列为振兴国家装备制造业“数控机床发展专项规划”,是我国重点扶持的行业,但由于重型数控落地镗铣机床的体积大,吨位重,生产制造成本高,这有必要在设计时进行多方面的分析,降低机械振动,减少部件的弯曲变形从而提高加工工件的生产质量。本课题重点研究重型数控落地镗铣机床的关键部件的静动特性,以及整机的温度场影响变形。课题的结果对提高机床整机的性能以及加工精度具有重大的借鉴意义。对于大型落地式镗铣床变形问题的设计具有推动作用。1、4国内外研究现状分析和成果本次课题研究共查阅相关文献共52篇,年份分布图1所示图1年份分布图从图中看出文献主要集中在2011-1012年,这说明文献的实时性较强,对本论文研究具有重大的借鉴意义。所有文献基本全部以滑枕为主体,进行滑枕的加工工艺、结构设计、变性补偿、静动态分析以及系统热特性介绍和分析。具体情况如图2所示:图2文献内容分类数量统计从图中看出文献总体分为六大类别,分别是对滑枕的加工工艺、设计、变形补偿、静动态分析、热特性分析以及其他机床介绍。整体方面,文献主要是从机床的机构设计分析、动态分析和热特性三个方面进行研究的。主要采用ANSYS 有限元软件对机床的结构建模12,分析机床的结构找到刚度的薄弱环节进行优化,对机床进行热特性分析为整机的冷却系统提供理论3,同时改进装置提高加工精度。对于机床的动力分析时采用有限元及结构优化(CAE)技术相结合的手段4,提高机床性能。1. 滑枕的加工5是数控落地镗铣床机械加工的重点及难点,对其加工方法从自主创新、工艺攻关、小批试制、批量生产过程中逐渐总结成熟经验。通过不断的学习和实践,对滑枕的加工技术的一些粗浅经验和总结。在今后的工作中滑枕的加工仍需解决:(I)滑枕的la腔孔测量采用更精确的激光、电子等手段测晕,使测量结果更可靠。(2)提高重大型数控镗铣床滑枕两端孔与内腔孔的同轴度精度6。机床滑枕分析主要分为滑枕的结构设计、动特性分析、热特性分析以及滑枕的变性补偿四个方面。(1)结构设计时主要运用有限元分析的方法对滑枕的内部结构的静、动特性进行分析,提高滑枕的灵敏度7。(2)动态分析时首先进行三维建模,进而采用ANSYS对滑枕进行动特性分析。分析时,采用Block Lanczos 法求解,得出通过增加加强筋、固定螺栓的预紧力、改变约束位置等来调整方滑枕的刚度,起到提高固有频率的目的8。(3)热特性分析时主要运用有限元软件仿真计算滑枕系统的稳态温度场分布以及热平衡时间,得出且温度分布均匀程度是影响热变形的关键因素8-9。(4)滑枕的变形补偿分析时首先采用PRO/E建模,之后用有限元分析方法对滑枕进行静态分析10-13,从而建立一系列的平衡方程,找出滑枕的补偿方法。3. 利用有限元分析软件ANSYS作为分析工具,对整机及其关键部件进行分析14-18。主要研究内容如下:(1)阐述了有限元法的基本思想和原理,概括了有限元方法的发展和应用历程,最后总结了静力分析和模态分析的基本理论。(2)应用SolidWorks软件对机床的床身进行建模,在ANSYS里划分网格,通过研究滑座分别处于三种极端位置时床身的总体结构变形和模态振型,找出床身的最薄弱环节。(3)模拟实际工况,针对镗杆分别处于200mm、600mm、1000mm,滑枕处于400ram、800ram情况,分析滑枕的静态刚强度以及固有频率。(4)分析铣削、镗削、钻削三种情况下切削力对立柱的影响,确定一种对于立柱来说较危险的加工环境,并以此作为后期优化的依据。(5).利用有限元强大的分析计算功能,对整机进行静态分析,直观展示了其应力场和温度场:通过模态分析,罗列了整机一至六阶的固有频率和振型。纵观文献内容发现目前重型数控落地镗铣机床的发展方向是高速铣削,其功能通过滑枕组件来完成。在理论论证时需要对滑枕、滑枕、立柱等部件进行强度、刚度分析,以保证镗铣床的加工精度以及可靠性。现在国内外对机床进行静态、模态分析多采用计算机辅助工程( CAE ) 技术,通过PRO/E,CAD、matlab以及Solid Works对机床部件建模,运用ANSYS、matlab以及CAE软件,根据实际工作情况,将实际中的经验数据加载到模型中,进一步分析,这样可以找到机床的薄弱点,并且对问题点进行修改和优化。 二、研究内容本课题研究方向,研究内容、系统功能本课题重点对重型数控落地镗铣机床的温度场进行仿真分析以及机床滑枕设计。(1)温度场仿真分析包括运用三维软件建立TK6920数控铣镗床整机三维CAD模型。在分析计算滑枕系统内部热源、边界条件的基础上,运用有限元软件ANSYS建立滑枕系统的有限元计算模型。运用有限元方法计算出系统的稳态温度场分布以及热平衡时间,为进一步计算热变形和热特性优化设计奠定了基础。在确定约束条件和热载荷的基础上,详细分析了系统的热变形。(2)滑枕设计包括初步设计滑枕的结构以及校核。 三、实现方法及预期目标包括实施的初步方案、重点、难点及环境。 我国的机床热变形研究始于上世纪中叶,虽然起步比较晚,但是发展较快,取得的研究成果也颇丰。当时,某高校在一台内圆磨床上加工并测量一批零件,在对零件尺寸误差进行分析时,应用统计法来分析误差,在对导致零件加工误差的因素进行总结分析时,发现其中最重要的因素是热变形。随后,北京的机床研究所和上海一些机床厂等相关单位都在机床热变形方面做了大量深入的研究,包括浙江大学在内的一些高校和科研单位等深入研究了机床热态几何精度超差的问题。天津大学用在线检测软件对误差进行补偿,并在基于Windows平台上开发出误差补偿的软件。上海交通大学在最小二乘原理的基础上开发出递推最小二乘原理,所得出的模型不是一个固定公式,而是通过一种算法的形式来体现,此建模方法的特点是其补偿模型可以根据输入的新数据来更新自身的状态,所以可用于在线建模补偿。沈阳航空工业学院开发出一种基于人工神经网络的可以对数控机床的热误差进行预报的补偿系统,之后又在无线冲击响应网络理论的基础上,提出了一种热误差预报模型。通过将输出前的状态储存在延时单元中,然后把时问信号展成空间表示,输入给静态的前馈网络,使模型具有动态性质,这样就可以在热误差产生的时候,对其进行实时补偿,这种实时补偿的方法为误差补偿问题开辟了新的道路。 3、1滑枕的设计方案一:计算相关数据,利用Pro /E对滑枕进行建模,如图3-1-1所示:图3-1-1滑枕的实体建模将在Pro /E 中建立好的模型导入到ANSYS Workbench中,建立有限元模型如图3-1-2所示,并且运用ANSYS对滑枕进行温度场仿真分析以及传动系统引起的温度变形。图3-1-2滑枕的有限元模型方案二:初步计算相关数据,运用 SolidWorks 建立滑枕以及整体机床的三维模型,如图3-1-3所示。3-1-3滑枕及机床整体三维模型将图形导入ANSYS中进行分析如图3-1-4所示,进而对滑枕的结构进行优化。图3-1-4 滑枕温度场热变形分布有限元分析方案评价:总体来看方案一二都是通过三维建模软件进行建模,再利用有限元软件进行滑枕的静动态分析以及结构上的优化。ProE操作软件是美国参数技术公司(PTC)旗下的CADCAECAM一体化的三维软件。ProE软件在目前的三维建模软件领域中占有着重要地位,以参数化著称,是参数化技术的最早应用者,采用模块化方式可以解决产品多样性的问题。Solid Works为达索公司集团为制造业提供系统及生产相关的服务,提供涵盖整个产品周期的系统,包括设计、制造、工程和产品数据管理等领域。Solid works软件组件繁多,功能强大、易学易用和技术创新是Solid Works的特点,这使得Solid Works成为主流的、领先的三维CAD解决方案。Solid Works能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。因此在三维建模方面主要运用Solid Works软件进行建模。3、2温度场仿真的设计方案一:基于ANSYS软件,进行机床整机及滑枕部件温度场分析,确定传动系统引起的温度变形。根据所建立的滑枕系统有限元模型,在上述材料参数和边界条件下,设环境温度为20,当主轴转速为1 600rmin时,计算系统的稳态温度场,得到热平衡时系统的温度分布情况如图32所示。图是滑枕系统热平衡时的温度场分布,系统的最高温度为75463,最低温度为67359。高温区主要集中在滑枕前端,这是由于系统前端比较封闭,无法通过空气很好地散热,且有一部分切削热也会传递到滑枕上。在对滑枕系统温度场分析的基础上,把系统的稳态温度场作为热载荷,对系统进行热一结构耦合分析,计算出滑枕系统的热变形。滑枕系统热变形有限元仿真流程图如下图33所示。方案二:基于Hypermesh软件,进行机床整机及滑枕部件温度场分析,确定传动系统引起的温度变形。已有方案列举:1运用三维软件Solidworks建立TK6920数控铣镗床整机三维模型,并对整机进行虚拟装配;对关键部位进行精确建模,为建立其有限元模型做准备。 2在分析计算滑枕系统内部热源、边界条件的基础上,运用有限元软件ANSYS建立滑枕系统的有限元计算模型。对滑枕系统进行稳态热分析,求出系统的温度场分布情况;对系统进行瞬态热分析,得到滑枕系统的温升曲线。 3在确定约束条件和热载荷的基础上,计算出滑枕系统的热变形和铣轴头部的最大跳动量,并确定滑枕系统热变形对机床加工精度的影响程度。 4设计出改善滑枕热特性的方案,用ANSYS中的APDL编程语言,在对滑枕系统进行参数化建模的基础上,对滑枕的结构进行优化设计,以期实现既改善滑枕系统的热特性,又提高其动态特性的目标。 方案评价:ProE软件在目前的三维建模软件领域中占有着重要地位,以参数化著称,而Solid Works能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量,根据自己学习掌握程度,选择Solid Works更加适合进行cad三维建模. 在仿真模块,Hypermesh软件对于目前的学习过于复杂,选择ANSYS建立滑枕系统的有限元计算模型,简单,实用。3、3确定方案根据对文献的分析以及自身基础的评价确定了如下方案。(1)初步设计滑枕的结构。(2)采用Solid Works软件对TK6920重型数控落地镗铣机床的滑枕进行CAD三维建模。(3)利用利用 ANSYS 软件对滑枕进行稳态温度场分析并对结果做出评价。(4)初步设计滑枕及整机床温度创仿真分析,确定温度变形。(5)利用ANSYS软件对模型进行温度仿真,分析仿真结果。 四、论文结构(此项适用于文管经专业) 五、对进度的具体安排和工作量 1.进度具体安排第2周,完成文献调研,开始英文翻译;第4周,完成开题报告,完成英文文献;第8周,完成滑枕结构设计,零部件尺寸设计,完成装配图草图以及有限元分析;第12周,完成温度场仿真分析,完成传动系统引起的温度变形;第13周,完成论文初稿,完成装配图绘制;第14周,完成论文最后修改和图纸修改,提交论文最终稿;第15周,打印论文,准备答辩。2.工作量1.寻找五十篇以上中外文文献,并且就所选文献进行仔细阅读并分类。 2.毕业设计论文1册。 3.重型数控机床滑枕平面图纸(A0两张以上)及三维零部件库。 4.机床整机及滑枕零部件温度场分析模型及详细文档。 5.不低于5000字的英文翻译,文献综述与开题报告。 六、参考文献1 陈庆堂.基于ANSYS 的数控铣床整机结构有限元分析J.2010,27(2):145-1472 杨浩、秦萍、李柏林.基于ANSYS的落地式镗铣床模态分析J.机床与液压,2010,38(9):92-1383 张碧清.基于有限元方法的数控铣床整机热特性分析J.天津:数字技术与应用,2013(7):196-1984 姚银歌.大型数控落地铣镗床CAE与滑枕优化设计研究及应用D.合肥:合肥工业大学出版社,2010:1-545 陶勇. 滑枕加工工艺流程与方案的分析J.辽宁沈阳:机械设计与制造,11042。6746708(2011)49一0046一026 王业刚.王秀平. 辽宁沈阳110142:2.中捷机床有限公司1101427 石前列、吴向东、 武友德.基于有限元的落地镗铣床滑枕结构设计J.辽宁:机械设计与制造,2012(4):19-218 刘殿崇.重型数控落地铣膛床滑枕组件热误差补偿技术研究D.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2011:1-589 韩江、昂金凤、夏链.基于ANSYS 的TK6920 数控铣镗床滑枕系统热特性分析J.大连:组合机床与自动化加工技术,2012(9):13-1510 王海军、王莘澳.数控铣镗床滑枕进给精确定位补偿系统的研究J.上海:设计与研究,2010(4):71-7211 孙文才.方滑枕变形处理及补偿的研究J.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2010:1-6712 周震东.落地镗铣加工中心主轴滑枕组件误差补偿技术研究J.江苏:苏州大学,2013:1-8913 万东东.大型数控落地

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