毕业论文-车床功能部件开发--动力刀塔导轨工程分析.doc

（ 2013 届 ） 毕业设计（论文） 题 目：车床功能部件开发-动力刀塔导轨工程分析 学 院： 机电工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 班 级： 学 号： 姓 名： 指导教师： 2013 年 5 月 15 日 I 车床功能部件开发-动力刀塔导轨工程分析 摘摘 要要 复合机床是现代化生产必备的生产母机，由于现代化零件结构越来越复杂， 普通车床已无法生产这样的零件，因此我国越来越多的企业开始使用复合机床 来进行生产，所以很多机床便处于废置状态。那么如果对车床进行复合化改装， 这样便可以解决小企业无法支付昂贵的复合机床，并且还可以改善车床废置而 造成的资源浪费。 本课题中所采用的方式是通过设计开发出一种功能部件，将其添加到普通 数控车床上来实现车床的复合加工。其功能部件主要由动力刀塔和立柱组成。 本文主要针对其中间用于连接的直线滚动导轨来进行工程分析。首先运用三维 建模软件 SolidWorks 建立了直线滚动导轨各零部件的实体模型并进行了装配， 然后运用有限元分析软件 ANSYS Workbench 针对动力刀塔在垂直方向铣削加 工时导轨的受力情况进行了工程静力学分析，获得了直线滚动导轨在实际工作 情况下的应力、应变、总变形及安全系数等的大小及分布情况，从而为设计、 制造出可靠性较高的直线滚动导轨结构提供了参考依据。 关键词：动力刀塔；直线滚动导轨；ANSYS Workbench；工程分析 II Lathe features development Power tool turret guide engineering analysis Abstract Compound machine tool is indispensable for modern production, Due to the modern structure of mechanical parts is more and more complex，this engine lathe has been unable to those production operation. So our country more and more enterprises began to use composite machine for production, many machine tools in the abolition of state.If compound modification was carried out on the lathe, it can solve small enterprise can not afford the expensive compound machine tool, and also can improve the status of the the waste of resources caused by the lathe scrap. The method used in this subject is design to develop a functional unit, then add it to the numerical control lathe, to achieve compound machining of the CNC lathe.Its feature is mainly composed of dynamic knife tower and pillar.This article mainly aims at the linear rolling guide which used to connect between dynamic knife tower and pillar for engineering analysis.Use three dimensional modeling software SolidWorks first established the physical model of parts and the assembly, then using the finite element analysis software ANSYS Workbench aims at the dynamic knife tower milling in the vertical direction, the force of the guide for the engineering statics analysis,and obtained the linear rolling guide in actual working situations about the size and the total distribution of stress, strain, deformation and safety factor ,these datas provides reference basis for design, produce high reliability of linear rolling guide structure. Keywords: Dynamic knife tower, Linear rolling guide, ANSYS, Workbench, Engineering analysis III 目录 摘 要.III Abstract.IV 1 绪论.1 1.1 课题的来源.1 1.2 课题的意义.1 1.3 国内外研究的产业现状.2 1.4 机床业未来发展趋势.3 1.5 课题研究内容.4 2 软件介绍.5 2.1 SolidWorks 简介.5 2.1.1 SolidWorks 的主要功能及其特点.5 2.1.2 SolidWorks2012 的工作界面.6 2.2 ANSYS Workbench 简介.7 2.2.1 ANSYS Workbench 的主要功能及特点.8 2.2.2 ANSYS Workbench 的工作界面.9 3 SolidWorks 环境下动力刀塔导轨的三维实体建模.12 3.1 直线滚动导轨.12 3.2 动力刀塔导轨的三维建模.12 3.2.1 滑轨的建模.12 3.2.2 滑动块的建模.13 3.2.3 下保持器的建模.15 3.2.4 反向器的建模.16 3.3 滚动直线导轨装配建模.18 4 基于 ANSYS Workbench 的直线滚动导轨静力学分析.20 4.1 直线滚动导轨受力理论计算.20 4.2 三维模型的导入.22 4.3 直线滚动导轨材料的设置.23 4.4 网格划分.24 4.5 施加载荷并求解.25 4.6 求解结果分析.27 结论.30 参考文献.31 致谢.33 车床功能部件开发-动力刀塔导轨工程分析 1 1 绪论绪论 1.1 课题的来源 随着科学技术和社会生产力的迅速发展，人们对机械产品的质量和生产率 提出了越来越高的要求。同时市场经济体制日趋成熟，绝大多数的产品都已从 卖方市场转向买方市场，产品竞争十分激烈，迫使企业不断地更新产品，来提 高自我的竞争力。这样市场的形势也导致了制造模式的转变。 从手工业生产时代到近现代的生产，从少品种少批量到少品种大批量，再 到现今的多品种变批量。客户需求的转变迫使生产模式以及生产工具的转变。 变批量多品种的生产方式对柔性化提出了要求，于是便出现了柔性化制造系统。 柔性化制造系统在成组技术的基础上，以多台(种)数控机床或数组柔性制造单 元为核心，通过自动化物流系统将其联接，统一由主控计算机和相关软件进行 控制和管理，组成多品种变批量和混流方式生产。而作为其组成单元的柔性制 造单元是由一台或几台配有一定容量的工件自动更换装置的数控机床组成的。 由于机床性能的提升，其加工时间在不断地缩短，此时机床辅助时间和工件在 工序之间的轮转时间便成为影响交货期的瓶颈，因此减少工作地的数目也就意 味着缩短生产周期。这时复合机床的意义就变得非常地明显。 所谓复合加工技术，即是在一台设备上完成车、铣、钻、镗、攻丝、铰孔、 扩孔等多种加工要求，复合加工机床的最突出优点是可以大大缩短工件的生产 周期、提高工件加工精度。复合机床大体有以下三类：第一类是以车削为主体 的复合加工机床，如车铣复合中心、小型五轴车铣复合中心、车铣复合加工单 元等；第二类是以铣削为主体的复合加工机床，如五轴棒料加工中心；第三类 为车磨复合加工机和倒置式车磨复合中心1。 1.2 课题的意义 复合加工机床是将两种以上的加工工艺集中在一台机床之上，通过一次装 夹完成多个工序以及完整加工。复合加工机床通常具有一下一些的优点：工序 集中度大大提高，减少了需要多工序加工零件的中间装夹时间还有在不同机床 间进行工序转换时而增加的搬运时间和等待时间，从而大大地地缩短零件加工 的时间并提高了生产效率；减少零件的安装次数，避免安装时所造成的装夹误 差，有利于提高其零件的加工精度。 未来的复合加工机床将结合软件技术、信息技术、可靠性技术，向构件集 约化、结构紧凑化、配置模块化和部件商品化方向发展。因此复合机床的研究 嘉兴学院本科生毕业设计（论文） 2 还有很长的路要走，只有不断地对其进行研究才可以不断提升机床的生产效率。 机床的研究和发展对人类文明的发展有着十分重要的意义。 在数控车床越来越普遍的今天，原来的普通车床面临着淘汰，为了提高机 床再利用率，一些小的机床企业进行了机床的改造，把普通的车床改为数控车 床，但这些远远不够，面对市场的需求，机床企业必须对一般数控车床的功能 进行改进，从而实现数控车床功能的复合化，例如车和铣的复合，功能复合的 好处是：实现了工序集中，加工一个零件由以前需要两台机床，现在变为在一 台机床上就能实现一个零件的完整加工，从而减少了工件的装夹次数，避免了 因为装夹带来的加工精度的问题，另一方面降低了生产成本，提高了机床的市 场竞争力，从而使机床企业在激烈的竞争中站稳脚跟，为机床企业带来新的活 力2。 1.3 国内外研究的产业现状 我国数控技术起步于 20 世纪 50 年代末期，而我国的复合加工机床研究则 起步较晚，但在实践中早已得到应用。国内用户在获得超值回报的同时，也加 快了我国机床企业在相关领域探索的脚步。2001 年我国第一台五轴车铣中心 SSCKZ63-5 在沈阳机床诞生；同年“十五”国家科技攻关计划重点项目 SSCKZ80-5/2000 启动并由沈阳机床承担此项目的研究，2003 年该项目通过国 家验收并在 2005 年获中国机械工业科学进步二等奖3。复合机床发展至今，已 有许多家企业具备开发和生产五轴联动的复合机床。 近年来的国内外大型机床展览会上，国产复合加工机床不断推陈出新。第 七届中国数控机床展览会（CCMT2012）4 月 16 日在南京开幕，无论是展商的 结构还是展品的遴选方面，都较上届展会有空前的提高，使用面积创下历届新 高。70 余家国内机床制造商的逾百种自主创新成果参展，这些展品覆盖了全行 业多种关键主机、高性能数控系统、关键功能部件及其他附件配套领域，展现 了我国机床工具行业加速转型升级的最新成果4,5。特别对于功能部件，其发展 的滞后已成为数控机床发展公认的瓶颈，严重影响了我国数控机床产业的健康 发展6。我国机床业在功能部件上面的突破着实表明我国机床业正在积极迅猛 地发展。有一些企业，如华中数控近年来在中、高档数控系统的市场销量逐年 上升，公司自主研发生产的中、高档数控系统打破了发达国家对中国的技术封 锁，对国外品牌数控系统形成了较大冲击。华中 8 型高档数控系统技术平台的 成功开发，将大大缩短与国外高档数控系统的差距，并在现场总线技术、智能 化技术、加工工艺技术集成等部分功能和性能实现技术原创和超越7,8。 不过总体而言，国外的复合机床技术还是成熟得多，无论在性能、精度、 效率等方面上我国与其都有一定的差距，其功能部件同样无论在技术参数上， 车床功能部件开发-动力刀塔导轨工程分析 3 还是在各种动态指标上，我国都与工业发达国家的同类产品均存在一定差距。 近年来，国外，特别是欧洲，关于模块化机床的报道增多，展会上也出现了越 来越多的模块化机床展品。有了模块化机床就可以为用户提供符合其个性化要 求的专用机床，总能准确而最佳地适合所加工的产品，减少机床的冗余功能。 这样，既有利于节省用户的投资，同时也能减少资源和能源消耗，又符合环保 要求。对机床制造商来说，有了可以互换的机床构件模块和功能部件模块，就 能快速发展各种变型产品，满足不同用户的需求，有利于扩大市场、降低制造 成本和缩短交货期9,10。 国外生产复合多功能车床的企业有德国 INDEX 公司制造的 RAUBTNX65；DMG 公司生产的多种卧式车铣复合加工机床，如 TWIN65；日 本 OKUMA 公司成功开发了进行高附加值加工的复合加工机床“MULTUS B300” ； 美国法道公司生产的具有强主轴电动机的 VMC4020C 机床等11。 从国内外最近举办的几届机床展展出的数控机床来看，数控机床的品种和 数量正在逐年增多，精度也在不断的提高，有的可以用车削或者铣削带替磨削， 展现了车铣复合加工数控机床的高性能和智能化、柔性化及模块化发展方向， 数控机床价格与性能之比向有利于用户方向发展的趋势12。 1.4 机床业未来发展趋势 第七届中国数控机床展览会（CCMT2012）上，中国机床工具工业协会常 务副理事长吴柏林介绍说，本届展会技术含量之高、展品内容之丰富，均为历 届之最，近 300 台套高档精品参展。 “这些高档精品具有高精、高速、复合、柔 性、多轴与多轴联动、智能与自动化、绿色环保等多种优良性能，具备了当代 世界先进制造技术发展趋势的基本技术特色，是当代世界先进制造技术在我国 机床制造领域应用的真实反映。 ”这段话中便反映出了现今机床大致的发展趋势 为高精、高速、复合、柔性、多轴与多轴联动、智能与自动化、绿色环保以及 网络化等13, 14。 如今数控机床从加工中心、柔性制造系统正向在一台机床上完成从加工、 检测、清洗、去毛刺和搬运全过程的方向发展，并不局限于现今将激光加工、 冲压及热处理等各种工艺组合而成的复合加工机床，而是更全面的工艺组合15。 所以在未来的发展中，机床会以更高的工序复合化，来实现工件在一次装 卡中能够完成车削、铣削、钻孔、磨削、攻丝、滚齿等全部加工工序。并要获 得更高的加工精度和更高的切削速度，和结合更高新的技术来实现复合机床的 智能化以及数控机床的网络化。机床的智能化是为了减少或者替代一些人工的 嘉兴学院本科生毕业设计（论文） 4 操作以及人脑的思考。今后的生产中会更多地使用语音来进行生产命令，使得 人与机床之间也类似于人与人之间的方式来进行交流16,17,18。 1.5 课题研究内容 为了解决很多企业对复合机床的使用有着“大材小用” ，或者价格过高无法 承担的情况，所以可以通过设计开发出一种功能部件，将其添加到普通数控车 床上，在保留原有普通数控车床功能的基础上，对其进行功能扩展，提高其加 工能力，从而实现在普通数控车床上对复杂形状类零件进行多工序复合化加工 的目的，就是研制一种相对廉价的复合化车床。在设计开发出的动力刀头上安 装车刀、铣刀、钻头、砂轮等，可以将普通数控车床扩展为集车削、铣削、钻 孔、磨削等多种功能于一体的复合加工机床。尤其是可以实现侧向的钻孔和铣 削加工，再配合数控系统，可以实现多轴联动，能够对一些曲面进行加工，从 而大大扩展了普通数控车床的加工范围，提高了其加工能力。 本文以复合多功能数控车床为研究对象，通过对机床功能部件直线滚动导 轨结构的静力学分析，得到导轨结构在实际工况下的应力、应变、总变形及安 全系数等情况，并通过分析来验证导轨设计的合理性。 车床功能部件开发-动力刀塔导轨工程分析 5 2 软件介绍软件介绍 2.1 SolidWorks 简介 SolidWorks 是由美国 SolidWorks 公司推出的功能强大的三维机械设计软件 系统，自 1995 年问世以来，以其优越的性能、易用并创新极大地提高了设计师 的设计效率，促使产品可以更快地推向市场。其在与同类软件的激烈竞争中已 经确立了其市场地位，其应用范围涉及航空航天、汽车、机械、造船、通用机 械、医疗机械和电子等诸多领域。功能强大、易学易用和技术创新是 SolidWorks 的三大特点，这些特点使得 SolidWorks 成为领先的、主流的三维 CAD 解决方案。并且 SolidWorks 使用了 Windows OLE 技术、直观式设计技术、 先进的 parasolid 内核以及良好的与第三方软件的集成技术，这些都帮助 SolidWorks 成为使用者最多，最好用的软件。 并且随着计算机辅助设计CAD（Computer Aided Design）技术的飞速 发展及普及，越来越多的工程设计人员开始利用计算机进行产品设计和开发。 SolidWorks 作为一种当前流行的三维 CAD 软件，越来越受到我国工程技术人 员的青睐19。 2.1.1 SolidWorks 的主要功能及其特点 SolidWorks 是一套机械设计自动化软件，采用用户熟悉的 Windows 图形界 面，操作方便、简单易学、容易掌握，广泛应用于机械、汽车和航空等领域。 在 SolidWorks 中共有三大模块，分别是零件、装配和工程图，其中“零件”模 块中包括草图设计、零件设计、曲面设计、钣金设计以及模具等小模块。认识 SolidWorks 中的模块，可以快速地了解它的主要功能。 Solidworks 主要有功能强大、技术创新和易学易用三大主要特点，使得 Solidworks 成为先进的主流三维 CAD 设计软件。SolidWorks 可以提供多种不同 的设计方案，减少设计过程中的错误以及提高产品的质量。并且提供了一整套 完整的动态界面和鼠标拖动控制。可拖动的用户界面减少了设计步骤和多余的 对话框，避免了界面的零乱。 对于长期使用微软 Windows 系统的用户，基本上就可以用 SolidWorks 来 进行设计了。用户在 SolidWorks 所独有的拖拽功能的帮助下可在较短的时间内 完成大型的装配设计。SolidWorks 资源管理器是同 Windows 资源管理器一样的 CAD 文件管理器，用它可以方便地管理 CAD 文件。相对于其他三维建模软件， SolidWorks 可以帮助用户在相同的时间内完成更多的任务，加快了产品投放市 嘉兴学院本科生毕业设计（论文） 6 场的速度，提升了企业在市场中的竞争力。 2.1.2 SolidWorks2012 的工作界面 本课题采用的是使用 SolidWorks2012 进行建模的。双击桌面上 SolidWorks 的图标，进入界面，点击左上角菜单栏里的新建，再在弹出的选项中选择零 件模块进入操作界面。工作界面如图 2.1 所示。 图 2.1 工作界面 其用户界面包括了最上端的下拉菜单区，包括了创建、保存、修改模型和 设置 SolidWorks 环境的一些命令。下面的就是该模块的一些操作命令。最左端 的设计树，设计树中列出了活动文件中的所有零件、特征以及基准和坐标系统 等，并以树的形式显示模型结构。通过设计树可以很方便地查看及修改模型。 右上端的工具栏按钮，其为快速进入命令及设置工作环境提供了极大地方便， 用户可以根据具体情况定制工具栏。最右端的任务窗格，包括了 SolidWorks 资 源、设计库、文件探索器、查看调色板和 Realview。单击设计库，选择 Toolbox,下方便会弹出的“现在插入” ，如图 2-2 所示。用鼠标单击，便会出现 各样标准的零件库，如图 2-3 所示。之后便可通过鼠标右击选择“生成零件” 来生成零件。在设计库里可以插入各种各样的标准件。界面的最下面有一行状 态栏，实时地显示目前的操作、目前的状态以及与目前操作相关的提示信息等， 来引导用户操作。状态栏上的是图形区，作为各种模型图像的显示区。 车床功能部件开发-动力刀塔导轨工程分析 7 图 2-2 图 2-3 2.2 ANSYS Workbench 简介 ANSYS 提供广泛的工程仿真解决方案，这些方案可以对设计过程要求的 任何场进行工程虚拟仿真。 ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有 限元分析软件。它由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国 ANSYS 开 发，能与多数 CAD 软件接口，实现数据的共享与交换。 软件主要包括三个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。 （1）前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，可以方便地 构造有限元模型。 （2）分析计算模块包括了结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度 非线性分析） 、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析及多物理的 耦合分析，可模拟多物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化能力。 （3）后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、 流子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到内部结构）等图形 方式显示出来，也可将计算结果以图标、曲线形式显示或输出20。 嘉兴学院本科生毕业设计（论文） 8 ANSYS Workbench 是 ANSYS 公司推出的新一代工程仿真技术集成平台， 它对仿真架构进行了全新的设计，在一个类似流程图的图表中，以图形化的方 式将分析项目中的各项任务相互连接起来，从而能够很容易的理解 项目的工程 意图、数据之间的关系以及分析过程的状态等。其用户可以根据自身的需要来 将 ANSYS 提供的各个组件进行组合。ANSYS Workbench 的提出是因为一般的 CAE 对分析人员的要求很高，主要是有限元的概念，与相关行业功能结合较少 数据接口与共享不方便，处理模型的功能较弱主要在设计后期使用，而不是贯 穿整个设计过程。而 ANSYS Workbench 则有以下的一些优点：ANSYS Workbench 把 ANSYS 系列产品融合在仿真平台，使数据无缝实现传递以及共 享 ANSYS Workbench 为仿真模拟和设计提供了全新的平台，提高仿真效率； 利用 ANSYS 系列产品求解模块保证仿真模拟的通用性和精确性。 2.2.1 ANSYS Workbench 的主要功能及特点 ANSYS Workbench 实际上是一个数据共享的平台，用户可以在该平台下 实现 ANSYS 旗下大多数产品间的数据传递与交换。可以把 ANSYS Workbench 平台下的产品可以分为 4 部分。 第一部分：具有集合造型功能机简单分析功能的 ANSYS 产品。ANSYS DesignModeler(DM):主要用来创建和修改 CAD 几何体，为在分析中所用的实体 模型做准备。 第二部分：具有网格划分功能的 ANSYS 产品。ANSYS Meshing:可以为 ANSYS 旗下的流体、结构产品输出进行计算的网格，其技术是建立在高级、领 先的网格划分工具上，其强大的网格划分功能集中了网格划分工具的所有优势。 除了 ANSYS Meshing 网格划分工具之外，还有 ICEM CFD、TGrid、Gambit 等。 第三部分：具有专业求解功能的 ANSYS 产品。ANSYS Mechanical:结构和 热分析的专用软件。 第四部分：后处理及其他功能的 ANSYS 产品。Design Exploration:用于优 化分析的专业软件21。 具体来说，ANSYS Workbench 主要具有如下的特色： （1）对于装配体模型具有强大的自动分析能力。针对现代制造领域中零部 件众多、产品结构复杂等特点，ANSYS Workbench 可以识别相邻零部件之间的 关系并自动设置接触关系，从而提高建模效率。 （2）能够与 CAD 软件之间建立双向接口。ANSYS Workbench 与 CAD 系 统中创建的实体或曲面模型之间可以建立双向的连接，当 CAD 中的模型发生变 化时，对于所施加的负载或支撑无需重新定义，在导入 CAD 几何模型时具有更 高的成功率。 车床功能部件开发-动力刀塔导轨工程分析 9 （3）可进行多物理场协同分析并具有模块化定制功能。单个的 CAE 分析 软件通常只能解决某个学科专业的问题，对于由多个物理场组成的复杂分析环 境则很难进行分析。ANSYS Workbench 提供了多个可自由选配集成的功能模块， 用户可以根据需要将某些模块进行集成来满足各行业的工程需求，其中分析计 算模块主要包括结构分析，流体分析，电场、磁场分析，声场分析等，并且可 以对多个物理场进行耦合分析来模拟多种物理介质的作用效果。 （4）快捷的优化工具 Design Explorer。ANSYS Workbench 提供了一个方 便快捷的优化方式，先对 CAD 系统中建立的参数化模型进行初步的分析，然后 确定感兴趣的参数，在 Design Explorer 中进行参数优化。优化参数可以是 CAD 模型的几何参数、结构形式、施加的边界条件以及求解得到的分析结果等。 因此，作为新一代多物理场协同 CAE 仿真环境，ANSYS Workbench 以其 全新的项目视图功能和完善的产品支撑模块，已经被广泛的应用于各个工程领 域。 2.2.2 ANSYS Workbench 的工作界面 本课题分析所采用的 ANSYSWorkbench 版本是 12.1。ANSYS Workbench 的启动可以通过单击 windows 开始菜单栏里的 ANSYS12.1 下拉选项中的 workbench。或者通过有些可与其对接的一些软件，如： Solidworks、UG、Pro/E 等。这样便可直接在这些建模软件中通过软件菜单栏上 方的 ANSYS 12.1 下拉 Workbench 选项进入。进入之后，便会出现一个 workbench 的图形用户界面。我们可以看到主要有两个部分组成，就是工具箱 （Toolbox）和项目概图（Project Schematic） 。Workbench 的图形用户界面如图 2-4 所示。 图 2-4 Workbench 的图形用户界面 嘉兴学院本科生毕业设计（论文） 10 工具箱里包括 4 个子组。 Analysis systems: 可用在示意图中的预定义的模板。 Component systems: 可存取多种程序来建立和扩展分析系统。 Custom Systems: 为耦合应用预定义分析系统(FSI, thermal-stress 等)。用户 也可以建立自己的预定义系统。 Design Exploration: 参数管理和优化工具。 工具箱列出的系统和组成决定于安装的 ANSYS 产品。使用 “View All / Customize”窗口中的复选框,可以展开或闭合工具箱中的各项。 使用工具箱中的各种组件是可以进行拖动到项目概图里或者双击组件图标， 这样在项目概图中便会出现相应的模块。如图 2-5 所示。 图 2-5 项目概图的使用 在 ANSYS Workbench 进行建模可以使用其自带的建模工具 DesignModeler。可通过鼠标右击项目概图中的 Geometry，点击出现的 New Geometry 来打开。后面提示选择所需的单位。然后选择“Millimeter”并单击 “ok” 。之后出现 DesignModeler 的操作界面如图 2-6 所示。 车床功能部件开发-动力刀塔导轨工程分析 11 图 2-6 DesignModeler 操作界面 DesignModeler 有很强大的建模能力，其界面主要由主菜单，包括 File（基 本的文件操作） 、Create(创建 3D 图形和修改工具)、Concept(修改线和曲面体的 工具)、Tools(整体建模,参数管理，程序用户化)和 View(修改显示设置)。下面的 就是常用工具栏和几何建模常用工具。再往下就是模型树（Tree Outline） 、详细 列表框和绘图区。模型树里也包括了二维草图的建立，可以进行直线、长方形、 圆以及圆弧等线条的绘制。详细列表框会列举各种命令的详细选项，通过这些 选项值的设置来实现使用者的要求。 建模完成之后可以进行材料的选择、载荷的添加、网格的划分和静力学分 析。材料参数的设置可以通过双击静力学分析的模块中的“Engineering Data” 来打开，显示界面如图 2-7 所示。 图 2-7 材料设置界面 划分网格，单击工具栏中的“return to Project”按钮，返回到 Workbench 嘉兴学院本科生毕业设计（论文） 12 主界面。双击主界面的 Model 选项，进入如图 2-8 所示的 Mechanical 界面。 图 2-8 网格划分、施加载荷并分析界面 在该界面下可以进行网格划分、施加载荷、定义约束、求解及后处理等操 作。 车床功能部件开发-动力刀塔导轨工程分析 13 3 SolidWorks 环境下动力刀塔导轨的三维实体建模环境下动力刀塔导轨的三维实体建模 3.1 直线滚动导轨 直线导轨称线轨、滑轨、线性导轨、线性滑轨，其作用是用来支撑和引导 运动部件，按给定的方向做往复直线运动。直线导轨又分为滚动导轨和滑动导 轨，还有弹性摩擦导轨、流体摩擦导轨。直线滚动导轨是在导轨工作面之间安 排滚珠、滚柱或滚针等滚动体，使两导轨面之间形成滚动摩擦，摩擦系数很小 （0.00250.005） ，动静摩擦系数相差很小，运动轻便、灵活，所需功率小，精 度好，无爬行。与现有的滑动导轨相比，具有以下优良特性：运动灵敏度高； 定位精度高；牵引力小、移动轻便；磨损小、精度保持性好；润滑系统简单、 维修方便。但是结构较为复杂，加工较困难，成本较高；对脏物及导轨面的误 差比较敏感。 在本课题中机床所用的是直线滚动导轨，型号是 HGM-15CA，其由滑轨、 滑动块、反向器、滚动体、导轨端盖以及保持器等组成。并通过滑动块与滑轨 之间的滚动摩擦来进行引导运动部件。 3.2 动力刀塔导轨的三维建模 3.2.1 滑轨的建模 滑轨是滚动直线导轨的支承部件，本课题所用的直线滚动导轨是用 3 颗 M5 的螺钉固定在刀塔立柱上面。首先在工作界面先新建模型文件，然后再利 用草图工具在前基准面上来建立草图，草图如图 3.1 所示。 图 3-1 滑轨草图 使用拉伸凸台/基体特征来进行拉伸，在长度一栏中输入 160mm。拉伸完之 后如图 3-2 所示。 嘉兴学院本科生毕业设计（论文） 14 图 3-2 滑轨拉伸命令 用异型孔向导命令来进行 M5 沉头孔的创建。孔与孔之间的距离是 60mm，然后两旁的孔与边界的距离为 20mm。创建好的滑轨如图 3-3 所示。 图 3-3 滑轨 3.2.2 滑动块的建模 滑动块是直线导轨的组要组成部分，滑块作为移动部件，安装于导轨部件 上。工作时便相对滑轨做直线运动。 第一步，在前基准面上建立草图，草图如图 3-4 所示。 车床功能部件开发-动力刀塔导轨工程分析 15 图 3-4 滑动块的草图 完成草图后用拉伸命令来来拉长滑动块的长度。在长度一栏中输入 40mm。结果如图 3-5 所示。 图 3-5 滑动块拉伸 第二步，做草图进行拉伸切除，结果如图 3-6 所示。 图 3-6 滑动块拉伸切除 嘉兴学院本科生毕业设计（论文） 16 第三步，使用异性孔向导命令并通过镜像命令来创建横向距离为 38mm，纵向为 30mm 的四个 M5 的螺纹孔。结果如图 3-7 所示。 图 3-7 滑动块 4 个 M5 的螺纹孔 第四步，利用拉伸切除的命令，在不同的草图中分别绘制长方形，圆拉伸 切除之后的结果如图 3-8 所示。其中前后的 4 个小孔不是通孔，其深度为 5mm。 图 3-8 滑动块孔和长方体的拉伸切除 3.2.3 下保持器的建模 保持器了分为上下保持器起到固定滚珠的作用。保持器是比较简单的草图 拉伸。首先建立草图，草图如图 3-9 所示。 车床功能部件开发-动力刀塔导轨工程分析 17 图 3-9 保持器草图 进行草图的拉伸，长度一栏输入 40mm。结果如 3-10 所示。 图 3-10 下保持器 3.2.4 反向器的建模 反向器是一个相对较为复杂的结构。工作时反向器与端盖配合来进行工作。 其作用使将从受载滚道中出来的钢球的运动平稳的改变 180，使钢球沿滑块 中的直线回程道返回滚道入口处。在其三维模型的建立中主要运用了拉伸和拉 伸切除并旋转切除。首先在前基准面上建立草图，并通过旋转拉伸命令来建立 切除特征，结果如图 3-11 所示。 嘉兴学院本科生毕业设计（论文） 18 图 3-11 反向器建模中间过程 1 之后再通过拉伸命令和旋转切除建立类似的结构，之后再模型上中间通过 拉伸再建立一个圆柱体，并通过拉伸切除命令挖出圆孔，用于通油和润滑用的。 其结果如图 3-12 所示。 图 3-12 反向器建模中间过程 2 最后再通过以上图结构的后表面为基准面建立草图，再使用切除拉伸命令 在反向器上建立沟槽。其后再在草图上建立几个圆并拉伸切除呈现几个通孔。 其结果如图 3-13 所示。 车床功能部件开发-动力刀塔导轨工程分析 19 图 3-13 反向器后凹槽的建立 3.3 滚动直线导轨装配建模 在 Solidworks 里新建一个装配模型，然后再插入运用零部件命令便可以将 所有之前所创建的零件导入到装配模型里。利用配合命令来进行彼此之间的配 合。配合里有许多不同的配合方式，比如重合、平行、垂直、相切和同轴心等。 其装配图和爆炸图如图 3-14 和 3-15 所示。 图 3-14 滚动直线导轨装配体 嘉兴学院本科生毕业设计（论文） 20 图 3-15 滚动直线导轨爆炸图 车床功能部件开发-动力刀塔导轨工程分析 21 4 基于基于 ANSYS Workbench 的直线滚动导轨静力学分析的直线滚动导轨静力学分析 4.1 直线滚动导轨受力理论计算 复合车床动力刀塔在实际工作中要受到切削力的作用，但是在不同的工况 下作用在动力刀塔导轨上的切削力是不同的，其中以铣削加工时动力刀塔导轨 所受到的作用力最为复杂，对复合车床的加工精度影响最大。因此本章以铣削 加工为例对动力刀塔的导轨结构进行了静力学分析。 垂直方向（Y 向）铣削加工时，动力刀塔的受力状况如图 4-1 所示。 图 4-1 动力刀塔受力图 根据复合车床实际工作情况，选择 HGW15-CA 型号导轨，见机械设计手册 6-499。HGW15-CA 型直线滚动导轨规格尺寸见图 4-2 及表 4-1。 图 4-2 HGW-15CA 导轨 嘉兴学院本科生毕业设计（论文） 22 表 4-1 HGW-15CA 参数 H1HNWB1BC1LLM1TWfHr 尺寸/ 24 4.3 16 4.7 38 4.5 30 39.4 61.4 8.9 15 15mm5M 根据复合多功能车床的加工条件，选择动力刀塔铣刀类型为 YT15 硬质合 金端铣刀。其几何参数见表 4-2。 表 4-2 铣刀几何参数 几何变量 dZ 0 s 参数值 15 3 mm 0 45 0 20 0 40 0 45 0 15 在实际加工过程中刀头主轴转速为 3000r/min,铣削用量选择见表 3-4。 表 4-3 铣削用量 铣削参数 铣削厚度 铣削宽度 每齿进给量 用量 1 9 0.1mmmmzmm/ 复合多功能车床铣刀类型为 YT15 型硬质合金端铣刀，根据实际铣削要素、 生产率要求，计算铣削力公式14 （4- t fpe avct d Zaaa ppAF 1） 式中：主铣削力（） ； t FN 铣削接触弧深（） ； e amm 每齿进给量（） ； f azmm/ 铣削深度（） ； p amm 铣刀齿数；Z 铣刀直径（） ； t dmm 车床功能部件开发-动力刀塔导轨工程分析 23 单位铣削力系数（） 。pMpa 根据复合多功能车床的加工要求，本文选择铣刀直径，铣刀齿数mmdt15 ，铣削接触弧深度，每齿进给量，铣削深度3Zmmae9zmmaf/1 . 0 ，加工对象材料为的 45 号钢，经查表得单位铣削力系数mmap1Mpa p 600 ，根据式 4.1 计算得复合车床主铣削力。Mpap3550NFt203 根据参考文献15铣削时各铣削分力的比值得到，在铣削条件为端铣削且为 不对称逆铣时。 ； （4-2） tl FF9 . 0 tc FF7 . 0 tv FF55 . 0 从而得到；。NFl 7 . 182NFc1 .142NFv6 .111 4.2 三维模型的导入 首先打开用 Solidworks 打开所创建的直线滚动的模型，并另存为标准文件 格式，如 Parasolid、