毕业设计（论文）-某型重型数控机床床身设计及模态仿真分析.doc

某型重型数控机床床身设计及模态仿真分析北京信息科技大学毕业设计（论文） 题 目：某型重型数控机床床身设计及模态仿真分析 学 院： 机电工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 机械1006/2010010150 指导老师/督导老师： 起止时间：2014年 2 月 24 日 至 20014 年 6 月 8 日 II摘 要 机床在机械制造工业中扮演着越来越重要的角色,尤其是随着现代机械制造工业的发展，走向高精度、高速度、高效率的道路。近些年来，我国企业的数控机床占有率正在逐步上升，其中大型高效的数控机床也成为了用户的首选。但是由于其结构庞大、设备吨位重、制造费用高，有必要进行预先的计算、仿真，让设计者对机床的特性有一个全面的了解，进而使整个设计更加的完善。 本文以 TK6920 大型数控落地镗铣床为研究对象，对机床床身和立柱进行设计，利用有限元分析软件ANSYS 作为分析工具，对其进行分析静力分析和动态特性分析。l 对床身和立柱进行结构设计计算，运用CAD进行二维图绘制l 运用solidworks进行三维建模，包括床身，立柱部分l 将建立的三维模型用有限元方法进行对床身，立柱，滑枕，及整机静态刚度分析。l 通过模态分析计算床身6阶固有频率振型，滑枕前6阶固有频率振型，立柱6阶固有频率振型，及整机6阶固有频率振型，共四部分分析。l 根据静力分析和模态分析的结果得出相应的结论，设计是否符合要求，以及需要进行优化的部分。关键词：tk6920落地镗铣床；床身和立柱设计；静力分析；模态分析AbstractThe machine is playing a more and more important role in mechanical manufacturing 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 country share is rising gradually, the CNC machine tool large efficient has become the users preferred. But because of its large structure, equipment weight, high manufacturing cost, it is necessary to pre compute, simulation, allowing the designers to have a comprehensive understanding of the characteristics of machine tool, which makes the design more perfect. The TK6920 NC boring milling machine as the research object, carries on the design to the machine bed and column, using finite element analysis software ANSYS as the analysis tool, carries on the analysis of static analysis and dynamic analysis of the.l Column on the bed and structural design calculations, the use of two-dimensional CAD drawingl Use solidworks three-dimensional modeling, including bed, column sectionl Will create three-dimensional model using the finite element method to bed, column, ram, and the whole static stiffness analysis.l Calculated by modal analysis 6 bed natural frequency modes, the 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.l According to the results of static analysis and modal analysis of the corresponding conclusions, whether the design meets the requirements, and the need to be part of the optimization.Keywords: tk6920 floor type boring and milling machine; bed and column design; static analysis; modal analysis致 谢 本次毕业设计是在孙江宏老师耐心细致的指导下完成的，在此特别想感谢孙江宏老师对我的帮助。从课题的选择，研究，设计，完成，整个过程中，老师都投入了很多的时间与经历，在我错误不断的情况下，一直给予我耐心的讲解和指导。在整个研究过程中，老师不仅仅对我是课题上专业知识的指导，更重要的是他教会对我将来走向社会上乃至工作中，无论行业与机械专业相关与否，在面对类似的项目或问题时，要以专业的知识背景做铺垫，积极的态度去面对整个过程。老师严谨认真的研究态度，热情谦和的待人方式，实事求是的处事原则都给我留下了深刻的印象，同时也在深深的影响着我。在整个课题研究的过程中，带给我的不仅仅是一次毕业设计的成果，更多的是在这个过程中学会了要有解决困难的决心和毅力，寻找解决困难的方法，这些都将会深深的印在我的脑海里，也会不断地鼓励我在以后的工作和生活中继续进取向前。在此，我谨记导师这四个月来对我的辛勤培养和耐心指导致以衷心的感谢和崇高的敬意。 衷心的感谢我同组的同学，周鹏，王琦，还有钱城同学。在他们的帮助下，一起学习，一起研究，让整个研究过程进行的顺利，在规定的时间内完成任务。 特别感谢我的家人，对我的学业进行无条件的支持，在精神上给我最大的鼓励，使我能够顺利的完成研究，顺利毕业。 最后，感谢各位答辩老师，在百忙之中抽出时间对我的论文进行评阅和审议，我表示衷心的感谢。 再次感谢，在整个过程中帮助过我的所有人。39目 录摘要IAbstractII致谢III第一章 概述11.1 论文综述11.2 课题分析2 1.2.1任务2 1.2.2安排和方法2 1.2.3难点3第二章 镗铣机床机身设计和立柱设计42.1 床身设计4 2.1.1 床身材料选择4 2.1.2 壁厚的设计4 2.1.3机床床身的制造方法的选择5 2.1.4铸造床身强度校核52.2 立柱设计9 2.2.1. 立柱材料的确定9 2.2.2 立柱过渡壁结构（立柱截面）的确定10 2.2.3 立柱形体尺寸的确定10 2.2.4 立柱强度校核11第三章 模态分析153.1立柱分析15 3.1.1 立柱结构的三维模型及有限元建模 15 3.1.2 两种工况 16 3.1.3 受力分析 17 3.1.4 立柱的约束 18 3.1.5 求解计算与分析结果 18 3.1.6 立柱模态分析 21 3.1.7 小结 223.1 滑枕模态分析23 3.1.1滑枕三维模型23 3.1.2滑枕的有限元模型23 3.1.3 滑枕的模态分析24 3.1.4 总结253.3 床身分析26 3.3.1 床身的受力分析26 3.3.2 床身的有限元模型26 3.3.3 床身静力学分析 27 3.3.4 床身模态分析 30 3.3.5 小结313.4. 整机分析32 3.4.1 有限元模型 32 3.4.2 节点耦合 33 3.4.3 施加边界条件和加载34 3.4.4 整机静态分析 35 3.4.5 整机模态分析 35 3.4.6 小结 37第四章 总结38参考文献39插图清单图 1-1 tk6920的结构示意图2图2-1-1 床身受力分析示意图5图2-1-2 矩形截面梁受力分析6图2-1-3 矩形截面示意图7图2-1-4 立柱位于床身中间受力示意图8图3-2-1 立柱截面10图3-1-1 立柱装配主轴箱图10图 3-1-2 立柱离散化模型图16图3-1-3 立柱受力情况17图3-1-4 立柱的约束加载图18图3-1-5 铣削情况下立柱结构位移云图19图3-1-6 镗削情况下立柱结构位移云图20图 3-1-7 立柱前六阶模态图22图3-2-1 滑枕三维模型23图3-2-2 滑枕划分网格后的有限元模型23图 3-2-3 滑枕前六阶模态图25图 3-3-1 床身有限元模型及网格划分图26图 3-3-2 位置 1 床身受力分析27图 3-3-3 位置 1 床身有限元加载模型27图 3-3-4 位置 1 节点等效应力等值线图27图 3-3-5 位置 1 结构总变形等值线图27图 3-3-6 位置 3 床身受力分析28图 3-3-7 位置 2 节点等效应力等值线图28图 3-3-8 位置 2 结构总变形等值线图28图 3-3-9 位置 3 床身受力分析29图 3-3-10位置 3 床身有限元加载模型29图 3-3-11位置 3 节点等效应力等值线图30图 3-3-12位置 3 结构总变形等值线图30图 3-3-13六阶振型图31图 3-4-1整机三维模型32图 3-4-2整机三维模型33图 3-4-3整机满负荷加工状态34图 3-4-4整机静力学分析35图 3-4-5整机前六阶模态图36表格清单表 2-1常用铸造金属材料的铸造性和结构性特点4表 2-2床身壁厚计算当量尺寸对照表5表 2-3铸铁机架常有材料9表 2-4灰铸铁牌号、性能和用途9表 2-5立柱壁厚设计当量尺寸表10表 2-6肋板及肋条的基本结构形式11表 3-1-1铣削工况下的切削力计算条件16表 3-1-2镗削工况下的切削力计算条件17表 3-1-3立柱结构固有频率、振幅及振型描述22表 3-2-1滑枕结构固有频率、振幅及振型描述25表 3-3-1静力学分析结果对比表30表 3-3-2床身前六阶模态31表 3-4-1整机前 6 阶模态36第一章 概述1.1 论文综述 什么是机床？机床是能够制造机器的机器，也是可以制造机床的机器。机床可以对金属或者其他材料的胚料或工件进行加工，得到想要的几何形状、尺寸精度和表面质量。机械零件通常是通过机床加工制造出来的。机床是机械工业的基本生产设备，他的种类，质量和加工效率直接影响到其他机械产品的生产技术水平和经济效益。因此，机床的现代化水平和规模，以及拥有机床的数量和质量是一个国家工业发达程度的重要标志之一。 机床是一种现代化工具，它可以进行高效率、高精度、低成本加工。随着科技的发展现代化制造水平的提高，工业制造的需要，对机床的加工要求也越来越高。经过一系列的分析和研究，要想提高机床的抗震性，加工精度和效率，用提高机床的动态性的方法来实现，从而提高机床的寿命和可靠性。为了找到方法提高机床的动态特性，需要对机床进行模拟和分析，找到床身结构的不足点，进行优化设计，从而达到提高动态特性的目的。分析方法的选择有很多种，需要对每种方法进行了解，选择最合适此研究的方法。 现在最常用的是计算机辅助工程技术，Computer Aided Engineering，简称CAE。计算机辅助工程技术的提出就是要把工程（生产）的各个环节有机地组织起来，其关键就是将有关的信息集成，使其产生并存在于工程（产品）的整个生命周期。计算机辅助设计（CAD）在如今的工业制造领域，设计人员可以在计算机的帮助下绘制各种类型的工程图纸，并在显示器上看到动态的三维立体图后，直接修改设计图稿，极大地提高了绘图的质量和效率。此外，设计人员还可以通过工程分析和模拟测试等方法，利用计算机进行逻辑模拟，从而代替产品的测试模型（样机），降低产品试制成本，缩短产品设计周期。计算机辅助工程的特点是以工程和科学问题为背景，建立计算模型并进行计算机仿真分析。一方面，CAE技术的应用，使许多过去受条件限制无法分析的复杂问题，通过计算机数值模拟得到满意的解答；另一方面，计算机辅助分析使大量繁杂的工程分析问题简单化，使复杂的过程层次化，节省了大量的时间，避免了低水平重复的工作，使工程分析更快、更准确。在产品的设计、分析、新产品的开发等方面发挥了重要作用。 目前，国内外对机床多采用计算机辅助工程技术来进行静态、模态分析，其特点是以工程和科学问题为背景，建立计算模型并进行仿真分析。CAE技术应用在机床上，一方面，使过去受条件限制无法分析的复杂问题，通过计算机数值模拟来解答；另一方面，CAE 分析使大量复杂的分析问题简单化、层次化、节省了大量的时间，避免了低水平的重复工作，使得机床工程分析更快、更准确。 数控机床行业是装备制造业的基础行业，它不仅是先进制造技术的载体，而且是发展新兴高新技术产业和尖端工业的最基本装备，同时也关系到国民经济发展和国防事业战略性得产业。世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家战略物资，采取重大措施来丰满自己的数控技术及其产业。 TK6920 数控镗铣床具有完整的数控功能，其加工工艺范围广，生产效率高。工件在一次装夹中可以完成镗孔、扩孔、及铣削加工，可加工较高精度的复杂孔系及大直径孔。tk6920的结构示意图如图 1-1 所示：图 1-1 tk6920的结构示意图滑枕可在主轴箱内移动，镗杆可在滑枕内移动；主轴箱可以沿立柱上、下运动；立柱连接在滑座上并可以通过滑座在床身上滑动。本机床可运用于对大重型工件，如箱体、支架、机体、机座、 吊臂、车架等零件的孔系、平面以及槽等进行加工，并可加工大直径孔，是重型机械、机车车辆、矿山、冶金、钢铁、化工、发电、船舶、军工等机械制造部门的必不可少的大型精密加工设备，加配数控回转工作台还可实行四面加工和多轴联动加工。1.2 课题分析1.2.1 任务本次课题主要以tk6920重型镗铣数控机床为研究对象，对机床床身进行设计及模态分析，对立柱进行设计及模态分析，对滑枕，以及整机进行模态分析。绘制一张标准整机装配图，和两张零件图，和三维图。1.2.2安排和方法首先，对床身进行设计。第一对床身的材料进行选择，其次对床身的壁厚进行设计计算，第三队床身的制造方法进行选择，最后根据tk6920重型镗铣机床的说明书中提供的数据，对机身进行强度校核。然后进行对立柱的设计计算。其步骤与床身类似。首先对立柱的材料进行选择，第二，对立柱截面进行选择确定。第三，对立柱的尺寸进行设计。第四，进行立柱壁厚的设计。第五，对立柱加强筋的设计。最后，对立柱进行校核。接下来是对上面已经设计好的床身和立柱进行2维图的绘制，用CAD软件进行绘图。用solidworks进行三维制图，为接下来的模态分析做准备。第三部分，是模态分析。分别对滑枕，床身，立柱和整机进行模态分析。首先，我对ANSYS软件进行了一个整体的学习，包括模型的导入分析，算法的了解和选择，静态分析的作用，具体过程和结果的分析，以及模态分析的作用，具体过程和结果的分析。通过具体的学习之后，对ANSYS软件有了一个详细的了解，接下来进行课题部分的研究，并得出一定的得出结论，根据软件分析的结果对比计算的结果，进行一定的思考与反思。最后，对整个研究过程进行总结分析。1.2.3难点 在研究整个课题过程中，存在很多难点。在刚开始进行调研时，重点在于需要对整个机床进行调查和了解，包括镗铣机床的功能和发展过程，国内外的专家对机床的整体研究设计和分析，以及优化。刚开始时，难点在于对床身和立柱的计算方面不知从何处下手进行计算，后来通过详细的受力分析，和一些参考书的指导，知道如何进行校核，开始计算。 在进行静力分析和模态分析的时候，仍然存在很大的难点。首先先要对整个软件进行整体的学习和熟练掌握。包括其中的计算方法的选择，和算法的运用，对于我来说都是一个全新的知识，需要进行整体的学习。在对软件有了了解之后，进行静力分析和模态分析。在起初的分析阶段，网格划分的不好，载荷计算的不正确，导致了整个结果与实际偏差较大。在经过反复实验后，针对不同的模型，都找到一个较为合理的划分方法。由于对方法掌握的熟练度不够，倒置花费了很多时间，并且效率低下，浪费了很多不必要的时间。第二章 床身和立柱设计2.1.床身设计2.1.1 床身材料选择作为铣镗床的重要部件，铣镗床工作时的大部分力都作用在床身上，因此床身的材料选择非常重要，选择合理，不但能满足设计要求，而且能节约材料，降低成本，减轻自身重量。表2-1 常用铸造金属材料的铸造性和结构性特点类 别性能特点结构特点灰铸铁件流动性好，体收缩和线收缩性小。综合力学性能低，抗压强度比抗拉强度高34倍。吸振性好。弹性模量低。形状可以复杂，结构允许不对称，有箱体形、筒形等。用于发动机的汽缸体、筒套、各种机床床身、底版、平板、平台等。球墨铸铁件流动性与灰铸铁相近；体收缩比灰铸铁大，而线收缩小，易形成缩孔、疏松。综合力学性能高；抗磨性好；冲击韧性、疲劳强度较好。消振能力比灰铸铁低一般多设计成均匀壁厚；对于厚大断面件，可采用空心结构，如球墨铸铁曲轴轴颈部分。可铸铁件流动性比灰铸铁差，体收缩很大，退火前，很脆，毛坯易损坏。综合力学性能稍次于球墨铸铁，冲击韧性比灰铸铁大34倍由于铸态要求白口，一般薄壁均匀件，常用厚度为5-16。为了增加其刚性，截面形状多加工成工字形或箱形，避免十字截面；零件突出部分应用肋条加固。铸钢件流动性差，体收缩、线收缩和裂纹敏感性都较大。综合力学性能高；抗拉强度与抗压强度几乎相同，吸振性差。结构应具有最少的热节点，并创造顺序凝固的条件。相邻壁的连接和过度更应圆滑；铸件截面应采用箱行和槽形等近似封闭状的结构；一些水平壁应改成斜壁或波浪形；整体改成带窗口的壁，窗口形状最好为椭圆形或圆形，窗口边缘须作出凸台，以减少产生裂纹的可能对于铣镗床，床身作为支撑件，形状复杂，并承受铣床的打不部分力，并且在工作时，床身震动较为严重。结合以上分析，灰铸铁件吸震性好，并能达到强度要求，且铸造容易，经济性好，因此确认灰铸铁铣镗床床身的材料。2.1.2 壁厚的设计通过以上分析，由于铣镗床床身要进行砂模铸造，查阅资料可知，其外壁可由当量尺寸C来确定。 (式中，L、B、H床身的长、宽、高。) 将L=0.7 B=0.62 H=1.3 代入 得C=1.1由下表可得床身壁厚为10mm.表2-2 床身壁厚计算当量尺寸对照表当量尺寸C0.751.01.51.82.02.533.5壁厚（mm）8101214161820222.1.3机床床身的制造方法的选择由于铣镗床床身的材料选用铸铁，适于进行铸造，而且铸造生产成本低，铸造工艺灵活性大，几乎不受零件大小、形状、重量、结构复杂程度的限制，所以床身用铸造方式制造出来。铸造方法可分为砂型铸造和特种铸造两种，铣镗床床身的铸造属于基本零件的铸造，可采用砂型铸造，主要原因是砂型铸造较之其它铸造方法成本低、生产工艺简单、生产周期短。2.1.4铸造床身强度校核在床身设计中，床身强度是一个重要的限制因素，因此必须进行床身强度的校核。床身长度9152mm，沿床身纵向设计一些垂直筋板。已知钢的弹性模量 ，最大载荷。计算床身的惯性矩 ， 计算组合界面的形心距,图2-1-1 床身受力分析示意图 由弯矩图可见，左端梁段内各横截面的弯矩相等且为最大值，Mmax=523.9kNm。所以这段梁上各横截面均为危险截面。由梁的正应力强度条件式，工字钢梁所需的弯曲截面系数为 切应力的分布规律与梁的横截面形状有关，所以对矩形截面梁受力分析。根据机械结构设计书中指导，得到以下分析计算过程 图2-1-2 矩形截面梁受力分析 式中：为离中性轴为y的横线以下面积对中性轴之静矩。 考虑到微块顶面上相切的内力系的合力 由切应力互等定理，横截面上pq线处切应力为矩形截面如图2-1-3 or说明切应力沿截面高度按抛物线规律变化。当时，=0当y=0时，考虑到两端简化为固定，绕y轴弯曲=0.5mmCAB图2-1-4 立柱位于床身中间受力示意图 当负载处于中间位置时，可知A,B界面的最大负弯矩相当，数值上小于C界面的最大弯矩，但因中性轴不是截面的对称轴，最大拉应力的点和最大压应力的点至中性轴的距离不等。所以最大拉应力和最大压应力不一定都发生在最大弯矩的界面上，即A,B,C三个界面都可能是危险界面。C点截面的剪力最大，该截面上的切应力为 最大弯矩发生在C端界面，其值为： 可见满足梁的正应力强度要求。2.2 立柱设计2.2.1.立柱材料的确定立柱采用灰铸铁利用树脂砂型铸造而成，均经过完全退火处理，消除残留内应力。具有抗振性好、接近零件形状和尺寸、成本低廉、工艺灵活性强等特点。灰铸铁件的特点： 耐磨性与消震好。由于铸铁中石墨有利于润滑及贮油，所以耐磨性好。同样，由于石墨的存在，灰口铸铁的消震性优于钢。 工艺性能好。由于灰口铸铁含碳量高，接近于共晶成分，故熔点比较低，流动性良好，收缩率小，因此适宜于铸造结构复杂或薄壁铸件，另外，由于石墨使切削加工时易于形成断屑，所以灰口铸铁的可切削加工性优于钢。表 2-3 铸铁机架常有材料牌号应用HT100机床导轨的支持件HT150机床底座，齿轮箱箱体HT200HT250机床立柱，齿轮箱箱体，泵体，汽轮机机架HT300重型机床床身，高压油泵的泵体QT45010QT8002冲击韧度和疲劳强度比灰铸铁好用于曲柄压力机机身，冶金矿山用减速机机体对比上表，选用HT250做为立柱的材料。查表可知灰铸铁牌号、性能和用途：表2-4 灰铸铁牌号、性能和用途牌号预计的铸件力学性能用途壁厚/mm抗拉强度/MPaHT2502.510220一般机床床身，机体，中等压力(小于7840KPa）1020195203017030501602.2.2立柱过渡壁结构（立柱截面）的确定参考相关资料，考虑立柱内部空间用于安放平衡锤，设定立柱截面如下图所示：图2-2-1 立柱截面但是提高导轨过渡壁的刚度，只有在提高大件本体刚度的前提下，才是有效的。提高大件本体刚度的主要措施：一是合理的选择截面形状和壁厚，二是合理的布置加强筋。2.2.3 立柱形体尺寸的确定设计中，按照设计宗旨：薄壁多筋，既增加立柱刚度，又没有增加过多的重量。1、立柱高度的确定根据立柱上主要部件的计算和选取，分析立柱高度。根据设计要求Z轴行程为3000 mm ，主轴鼻端至工作台面最小距离为100 mm ，预留工作台高度为300 mm ，行程余量预设计为50mm，主轴箱安装预留尺寸为350mm，由此可以初步确定立柱总高度为3800mm。2、立柱壁厚的确定机床大件结构的壁厚确定，首先要根据构件截面惯性矩的要求，除了考虑结构的截面形状和板壁孔等影响以外，还要考虑结构工艺要求。（1）铸造结构壁厚的确定 铸铁的弹性模量是不稳定的，支承大件的壁厚，应根据铸造工艺要求，尽可能选择薄一点。按照当前的铸造工艺水平，砂模铸造的最薄壁厚的推荐值，见表：2-5 立柱壁厚设计当量尺寸表当量尺寸c/m0.75101.51.82.02.533.54.5壁厚/mm81012141618202225表中的当量尺寸c为 C=(2L+B+H)/3式中：C当量尺寸 L铸铁的长度（m）；B铸铁的宽度（m）；H铸铁的高度（m）；则 C=(2L+B+H)/3=（20.5+0.43+1.6）3=1.01从计算值和表可知，立柱壁厚最小因大于或等于12 mm，考虑过渡承载与立柱前壁受力大的情况，以及在凸台和导轨等的连接处，壁厚适当加厚，所以立柱安装导轨处壁厚取38 mm，其他壁厚取25 mm。如下图所示：3、立柱加强肋设计 （1）立柱截面形状的畸变机床的大型立柱，在通过导轨单边引进载荷的情况下，如果板壁刚度不足，轻则会出现板壁颠振或噪声，重则会使立柱截面产生畸变。不仅板壁会出现屈曲变形，而且四个棱角也不能保持直角。所以截面现状畸变，会大大消弱结构的抗扭刚度和固有频率。（2）立柱内板壁加强肋的选择和设计为了防止板壁颠振和畸变的主要措施是提高板壁刚度（确切的说是提高固有频率），把导轨引进的集中载荷，通过加强筋转移和分散到立柱的整个截面的板壁上。表2-6 肋板及肋条的基本结构形式结构形式肋板肋条横肋板，抗弯差，抗扭好，结构简单，工艺性好，承载小直肋条，制造容易，刚度差纵横肋板，刚度好，适于重载井字形肋条，抗弯扭为米字形的1/2斜肋板，刚度好，制造简单用于中载纵横组合肋板，刚度好，用于重载大机架米字肋条，刚度好，但工艺复杂，制造困难 所以选用纵横组合肋板，设计作为立柱内壁的结构。2.3.4 立柱校核 立柱受力分析，当滑枕处于立柱上端时，A端受弯矩MCBAC Fn=160KN, ， ， 校核立柱的强度，由设计手册中查的截面面积 泊松比：u=0.26弹性模量:E=1 .45e11 (N/m2)密度: =7400(kg/m3) 满足强度要求根据胡可定律，求出立柱的的变形为： 对立柱进行挠度计算 当滑枕处于立柱上端时，A端受弯矩M对立柱进行挠度计算 第三章 模态分析3.1立柱分析3.1.1 立柱建模 TK6920 数控镗铣床是一种加工方式多样的多用途机床，可以实现镗孔、铣削加工等，也可以加工精度较高的复杂孔系及大的直径孔。在不同的加工方式下，立柱所受的载荷大小也是不同的，这就需要确定一种对于立柱来说较危险的加工环境。本节就针对铣削、镗削两种情况的切削力分别进行讨论。 建模时同样采用 SolidWorks 软件，为了防止载荷传递不准确，把立柱连同主轴箱、滑枕与镗杆结构装配在一起进行建模，然后采用 ANSYS 的布尔运算粘结(GLUE)模拟联接。同时还要确定立柱的危险工况，根据机床厂技术人员的建议，把主轴箱放置于其行程 1/2 的立柱导轨上，滑枕从主轴箱中伸出 400mm，镗杆从滑枕中伸出 1000mm时机床进行满负荷加工是最危险的工况。 建立立柱、主轴箱、滑枕、镗杆的整体装配模型，然后利用 SolidWorks 软件和 ANSYS 软件的数据接口程序，将模型非常准确地导入到 ANSYS 软件中，在此基础上进行网格划分等操作，建立立柱装配体的有限元模型。如图3-3-1图3-1-1 立柱装配主轴箱图 在建模过程中对一些对局部变形作用不大的结构予以简化，对应力作用有较大影响的一些局部特征，如大螺栓孔等给与保留，而对于一些对局部变形作用不大，对应力也不作用大的一些局部特征，如圆角倒角等特征给与简化。综合考虑各种因素，在保证准确性的前提下得到TK6920型镗铣床的立柱的有限元离散化模型模型。 在ANSYS中导入立柱结构模型，利用软件自身所带的智能划分网格功能，由于此立柱结构比较复杂，建模时立柱在SolidWorks中就比较复杂，因此导入ANSYS之后采用ANSYSY智能网格划分，根据机床出具和计算机本身的情况，我选择了8级精度，solid185单元建立了划分网络后的立柱离散化模型图，如图 3-1-2。如图 3-1-2 立柱离散化模型图3.1.2两种工况 为了得到立柱的最大应力应变值，就需要机床在满负荷运转情况下的极限加工方式。但是TK6920 数控镗铣床是一种加工方式多样的多用途机床，可以进行铣削，镗削的加工。在两种不同加工方式下，其机床所受载荷也是不同的，因此下面将分别讨论这两种情况： （1） 机床在铣削加工时,计算条件如下表:表 3-1-1 铣削工况下的切削力计算条件刀具材料硬质合金工件材料结构钢类刀具几何参数主偏角：60前角：5铣刀直径：200mm铣刀齿数：10 齿工件材料机械性能硬度 HB： 207 229 强度 GPa： 0.70 0.80 加工形式不对称逆铣；端铣刀主轴转速160 rpm铣削深度10.00 mm铣削宽度160.00 mm进给量0.30 mm/Z铣削速度100.53 m/min 由此条件计算得到主切削力 Fc = 23221.24N，径向切削力 Fz = 21945.30N，轴向切削力 Fx =12191.15N。此时机床受到最大径向切削力。 （2） 机床在镗削加工时，计算条件如下表：表 3-1-2 镗削工况下的切削力计算条件刀具材料硬质合金工件材料结构钢类刀具几何参数主偏角：45 前角：10工件材料机械性能硬度 HB： 207 229 强度 GPa： 0.70 0.80 加工形式双刀镗削主轴转速35 rpm铣削深度9.00 mm进给量 s1 mm/r加工孔径600 mm 由此条件计算得到主切削力 Fc = 8122.68N，径向切削力 Fz = 3827.20N，轴向切削力 Fx =4061.00 N。此时机床受到最大切削扭矩 5000NM，但各向受力都较小，因此在立柱静力分析时不考虑这种情况。3.1.3 受力分析 立柱结构在机床满负荷运转加工时的受力情况如图3-2-1：图3-1-3 立柱受力情况 (1)立柱自身的重力 根据立柱的材料及材料的密度，材料为 HT300，密度为 7300kg/m3，用SolidWorks建模，并 得出立柱重力为209430N。 (2)滑枕装配体的重力根据机床的整体三维建模，得出的重力为55310N。 (3)主轴箱的重力根据同组人员主轴箱的建模，可知主轴箱的重力56820N。3.1.4 立柱的约束 螺栓将立柱与滑座完全固连，滑枕可在床身上移动。由于螺栓紧固的作用，我们将立柱底面设为全约束。 经过以上受力分析，将约束与各个作用力施加在有限元模型上，得出了立柱的约束加载图。3-1-4 立柱的约束加载图3.1.5 求解计算与分析结果 进入求解器 Main MenuSolutionSloveCurrent LS 求解。求解完成后，进入通用后处理器观察计算结果并得到立柱结构的位移云图和应力云图。 从立柱结构在铣削时的位移场分布云图可以看出由于立柱受力而引起的变形在立柱右侧导轨与立柱顶面相交处达到最大值。 (1)铣削时的位移场分布如图 3-1-5 所示： a) 总体位移云图 b) X 方向位移云图 c) Y 方向位移云图 d) Z 方向位移云图图 3-1-5 铣削情况下立柱结构位移云图 最大位移为 0.0211mm。其中 X 向最大位移为 0.0021mm，发生在立柱左侧面的上部；Y 向最大位移为 0.0103mm，发生在立柱后面与顶面接触处；Z 向最大位移为 0.0197mm，发生在立柱导轨与顶面接触处。立柱在 X 向刚度较好，而在 Y 向和 Z 向变形较大，这与立柱本身结构和受力特点有关，因为立柱为柱状结构，下端面完全固定，立柱上端面受到较大压力，但是变形值并不大，符合实际情况。 立柱结构的刚性反映在整个机床加工精度上，主要是其导轨面的变形，尤其是与主轴箱接触部分的变形，在立柱铣削时的位移云图上这一点表现的非常明显。特别是 Z 向的最大位移发生在导轨面上，这对机床的加工精度具有一定影响。总体来看立柱导轨特别是主轴箱所在位置的变形最大不超过 0.01mm，这说明立柱的刚度很好，完全符合加工要求。在立柱导轨的中段，可以考虑加强其内部结构如添加加强筋等措施，来更进一步提高其刚度，进而提高整体机床的加工精度。(2) 镗削时的位移场分布如图 3-1-6 所示： a) 总体位移云图 b) X 方向位移云图 c) Y 方向位移云图 d) Z 方向位移云图图 3-1-6 镗削情况下立柱结构位移云图 最大位移为 0.009mm。其中 X 向最大位移为 0.0022mm，发生在立柱左侧面的上部；Y 向最大位移为 0.0007mm，发生在立柱下半部分；Z 向最大位移为 0.0014mm，发生在立柱导轨与主轴箱接触处的位置。无论是 X 方向、Y 方向还是 Z 方向的位移都很小，说明在镗削情况下立柱整体变形小，加工稳定，精度较高而且保持性好。3.1.6 立柱结构模态分析 采用 Block Lanczos 法分别提取前六阶的固有频率和振型，如图 3-1-7所示： a) 第一阶模态图 b) 第二阶模态图 c) 第三阶模态图 d) 第四阶模态图 e) 第五阶模态图 f) 第六阶模态图图 3-1-7 立柱前六阶模态图表 3-1-3 立柱结构固有频率、振幅及振型描述 阶数固有频率f/Hz振型158.37沿X轴方向来回摆动，上部振型明显279.23沿Z轴方向来回摆动，上部振型明显3130.35绕Y轴扭曲振动，上部扭转较明显4144.8张合振动，立柱四个角振型明显5146.13X方向弯曲，顶部及导轨所在面下振型明显6151.67Z方向弯曲，两侧面中部振型明显 从前六阶固有频率可以看出，立柱的固有频率均在 58Hz 以上，且以整体振型居多，充分体现立柱结构整体的刚度较好，结构尺寸均匀，内部筋板布置有序合理。通过观察可以发现，由于 TK6920 机床的立柱采用底部固定的方式，且立柱尺寸大，因此在大部分阶次下，立柱上端振幅较大，振型明显。最大振幅出现在第六阶模态里，但是对机床影响较大的主要是前几阶模态，因此不考虑最大振幅。较大的振幅出现在第五、第六阶模态处，此时立柱处于张合振动的振型，上端振型明显，可以考虑加强顶板处板厚及加强上端筋板。 3.1.7 小结 本章利用有限元软件 ANSYS 对数控铣床的立柱进行有限元模态分析， 利用 LANCZOS 法扩展了前六阶模态，获得了立柱的固有频率和振型。结合静态与模态分析结果表明，立柱的固有频率较大，动态性能较好，但结构存在刚度不均的现象，立柱固有频率值局部较为密集，反映了其结构的复杂性。有很大的改进空间。3.2 滑枕模态分析 滑枕是整个机床中重要的零部件之一，在进行零件加工时，容易产生弯曲变形，导致加工轴线变化，进而影响对零件的加工精度。为滑枕建立有限元模型，进行分析后，根据云图显示，就可以清楚的分析出滑枕的静态载荷受力，和动态振型弯曲变量等等为了能够清楚的分析出滑枕的静态和承受载荷时的弯曲变形量。 3.2.1滑枕三维模型 根据已知条件，滑枕长3.6 m，宽0.48 m，高0.52 m，将其安装在主轴箱上，其最大行程为1.2 m。由于模型较为复杂，为方便进行有限元分析，因此适当简化模型中的倒角、小圆角等，简化后的模型如图3-1所示。图3-2-1 滑枕三维模型3.2.2滑枕的有限元模型 因为滑枕的几何体外形不规则，所以在进行网格划分时，采用solid185 单元构造三维实体结构，将单元通过8 节点来定义，每个节点有沿着X、Y、Z 方向平移的3 个自由度。图2 为进行网格划分后的有限元模型。图3-2-2 滑枕划分网格后的有限元模型 要对模型进行有限元分析必须明确滑枕的受力情况，滑枕所受载荷主要是：主轴箱对其作用力Fr，通过滑枕与主轴箱接触处的导轨板和镶条作用在滑枕上；滑枕装配体内部零件对滑枕的重力G；机床加工时产生的切削力Fm等。将滑枕伸出主轴箱400 m作为主要工况分析，经过计算Fr分别为98 836 N，G=50 000 N，Fm1=27 525 N。边界条件包括部件的约束条件、刚性位移等是有限元计算中的关键因素。根据设计，滑枕底面通过4 个导轨板与主轴箱连接，接触面做X与Z向约束，同时滑枕与主轴箱左右两侧镶条接触面做Z向约束。滑枕材料对应的杨氏模量为1.451011 Pa，泊松比为0.27。3.2.3 滑枕的模态分析 模态分析关心的是结构的固有频率特性， 对滑枕进行模态分析，可以得到其动态特性。分析中采用Lanczos 法，该方法根据载荷空间分布模式按一定规律生成一组向量， 将系统运动方程转换到其向量空间后，求解减缩的标准特征值问题，通过坐标系的变换得到系统运动方程的全部或部分特征解。 滑枕的动态性能反映其结构在动态切削力作用下的抗振能力，考虑到机床的工作频带，滑枕的前几阶模态起到重要作用。这里对滑枕伸出主轴箱400m工作状态进行模态分析。表3-1-1显示了在这种工况下前六阶固有频率计算结果， 在滑枕工作时，外界激振频率应远离第1、2 阶固有频率，防止产生共振现象，造成加工误差。前六阶模态变形云图见图3-2-3。a) 第一阶模态图 b) 第二阶模态图 c) 第三阶模态图 d) 第四阶模态图 e) 第五阶模态图 f) 第六阶模态图图 3-2-3 滑枕前六阶模态图表 3-2-1 滑枕结构