[机械模具数控自动化专业毕业设计外文文献及翻译]【期刊】对于数控车床尾座主体的特性分析及其优化设计-中文翻译

南京工程学院 毕业设计 (论文 )外文资料翻译 原 文 题 目： Characteristic Analysis and Optimization for The Tailstock Body of The NC Lathe 原 文 来 源： Advanced Materials Research Vol. 1037 （ 2014） pp 41-44 (2014)Trans Tech Publications, Switzerland 学 生 姓 名： 蒋梦雨 学 号： X00231120417 所在院 (系 )部： 工业中心 专 业 名 称： 机械设计制造及其自动化 对于数控车床尾座主体的特性分析及其优化设计 作者： 鲁墨武，李明杰 江苏，湖北，中国 关键词 ：尾座主体 ;静态分析 ;模态分析 ;拓扑优化 ;工作台 ; 摘要 ：数控车床尾座主体的性能特点是对数控车床的加工精度有非常大的影响的。 SolidWorks 的这款应用软件就是用于建立数控车床尾座主体的实体模型的的软件，然后将这个软件所建立的数控车床的尾座主体的实体模型导入到工作台的软件中进行有限元分析并且总结关于数控车床尾座主体的实体模型的动态特性和静态特性。并且根据对拓扑优化分析的结果分析得出，使其优化后的数控车床的尾座主体可以保证这个尾座主体不仅能满足数控车床的性能特点和要求，并且能保证优化后还可以降低此数控车床尾座主体的 5的重量。在为数控车床的尾座主体节省材料的同时也可以减少数控车床的尾座主体的运动惯性等特点，并且这个优化还可以提高数控车床的尾座主体的加工精度。 前言 数控车床的尾座主体是数控车床中部件的重要的组成部分，数控车床的尾座主体在数控车床加工中起到了定位和夹紧工件的作用。数控车床的尾座主体的静态特性和动态特性在对于数控车床的加工精度和数控车床的稳定性有着直接的影响。当在重型数控车床上加工的部位不同时，数控车床的尾座需要往复的运动来完成夹紧工件和定位工件的任务。由此可以看出，这些要求需要数控车床的尾座主体的重量比较轻，要使其尽可能的增加该数控车床的尾座主体的灵活性能。在本篇文章中，是以一种型号为 HTC100 的数控车床尾座箱作为例子的，要通过建立一个准确的数控车床尾座主体的物理模型，并切利用 ANSYS Workbench 中的软件来完成有它的有限元分析，然后将其拓扑优化，并使其取得较好的结构性能特点。为数控车床的尾座主体的合理设计提供了一个可行的参考。 有限元模型 图 1（ a）是一台型号为 HTC100 的数控车床尾座主体的主体结构，此型号的数控车床尾座装配在如图所示的上和下侧机壳与图 1 的（ b） ， （ c）通过滑轨而形成的。此数控车床的尾座的底部用螺旋固定在数控车床上。 先进材料研究卷 . 1037（ 2014 年） ，第 41-44 已提交于： 2014 年 6 月 11 日 （ 2014 年） ，跨技术出版物，瑞士 接受于： 2014 年 8 月 7 日 doi:10.4028//AMR.1037.41 上线于： 2014 年 10 月 27 日 图 1：（ a）数控车床的尾座盒模型 （ b）上盒模型 （ c）降低盒模型 型号为 HTC100 的卧式数控车床的尾座是由材料为 HT300 的灰铸铁铸造而成的。 材料为 HT300 灰铸铁的模量是 1.43E11 帕，它的泊松比为 0.27 和其密度是 7340 公斤 /立方米。 图中所示的网格图像是有限元分析的一个重要组成部分。本文是在符合了属于四面体方法网数控车床尾座盒模型的方法下选择的补丁。至于为什么会选择该方法的原因是因为它是非常的快速和便捷的，这种分析几乎可以适用于任何复杂的几何形状 ;并且在于重点区域的近似尺寸可以将其细化。如在图 2 中所显示出来的网状后所得到的有限元模型视图，图中节点模型的数量是 55973 和单元的总数为 32024。 图 2：数控车床的尾座盒的有限元模型。 图 3：数控车床的尾座框的边界条件 数控车床的尾座盒必须要通过分析静态力学性能和尾座箱的动态力学性能，其中包括力、扭矩和支撑面之间应用在 ANSYS 的数控车床的尾座盒子的边界条件。数控车床的尾座主体在内部的应力也是主要来自于零部件的自身重力。除了受到了数控车床的尾座盒内部零件重量的影响外，数控车床的尾座盒同时也受到了在加工过程中的切割力和力矩的影响。 取轴加工为例，根据经验加工的数据表明，数控车床的尾座的夹紧力是 5.28KN，车床的最大切割力为 60KN。车床的主切削力为 53.4KN，车床的回力为 18.6KN 和车床的供给力为 20.4KN。应力分析完后，力和力矩的数据如下面所示： FX=560N， FY=1572350N， fZ=15120N， M =8811N.m。数控车床的尾座主体需要固定在数控车床上，应用这些力和力矩到数控机床的尾座盒的每个表面，所以可以看出数控车床的尾座箱体的主体底部被固定约束了。边界条件在工作台施加如图 3 上所示的。 有限元分析 静态分析的结果对于数控车床的尾座主体是一个特别重要的且具有价值的参考值，以便于用来优化数控车床的尾座框体的结构性能。如图 4 上所示的，数控车床的尾座框体的最大位移静态图像的分析结果应是 1.23E-004 米，数控车的床尾座的最大应力应为4.44E+007Pa。结果显示所表明，数控车床的尾座盒子的最大位移是很微小的，所以这个数控机床的尾座能够满足此型号的车床所要求的精度要求。 HTC100 数控车床中 HT300 所能承受的极限应力应该为 300 兆帕。数控车床的尾座箱的最大应力远远小于材料的极限应力，数控车床的尾座的箱体刚性符合车床所要求的刚性，因此，数控车床的尾座还可以进行进一步的优化设计。 在有限元分析的过程中，数控机床所产生的由噪声和振动的相互作用所形成的周期性变激发力。这种情况非常容易引起共振时的激振力的频率与结构的固有频率相同或成整数。这很有可能将减少数控机床的加工精度和稳定性能。因此很有必要开展数控车床的尾座框的模态分析。 图 4 数控车床的尾座主体的位移和应力云图 此后在 ANSYS 箱的模态分析结果中表明，模态分析中的前六阶的模态如表一中所示的结论： HTC100 的数控车床主轴的最大速度为 200 转，频率为 3.33Hz。因此由模态分析的数据数据显示可以看出，数控车床的尾座的激发频率远远的要小于从表 1 本身的第一阶到第六阶的频率。 图框 1 的表 1 中。低阶模式 单位： 赫兹 模式 1 阶 2 阶 3 阶 4 阶 5 阶 频率 272.27 283.95 462.53 636.54 747.78 拓扑优化 拓扑优化是指找到用于使目标的体积（整体刚度，固有频率等）给定的约束条件下是稳定的结构材料的最佳解决的方案。在工作台的使用“形状优化”功能来完成数控车床的尾座箱的拓扑优化。数控车床的尾座所要优化的目标被初始所设定为 5，那么要解决这个问题，数控车床的尾座所优化的结果显示在图 5 中。 图 5 中的拓扑优化云图 图 6 中的几何结构经过优化 由于图中所显示的带红色可切除的区域是不规则的平面，在技术上和应力分布中属于复杂性问题，必须要在实际的处理过程中予以非常充分的考虑。因此不可能把图中的所有的红色区域去除干净。所以要在 SolidWorks 软件中切断红色区域规则的几何形状，然后使其重量降低为 1250.4 千克，所以数控车床的尾座所优化后的几何结构如图 6 所示。 要使其对于优化方案位移，数控车床尾座的应力云图的有限元分析，如图 7 所示的框的最大位移是 1.19E-004 米和使其优化后的最大应力是 4.57E+007Pa。在进行的数控车床的尾座的上盒体模态分析的优化，并能够得到低次模式的结构后如表 2 所示的数据。 图 7 位移和优化后的应力云图 就对于优化框结构的静态力学和动态力学的分析结果而言，可以看出数控车床的尾座主体仍满足对于数控车床尾座优化后的刚性要求和数控车床的加工精度要求。除此以外，数控车床尾座的重量的降低，使数控车床的尾座的外壳的运动惯性和控制性能的得到了很大的提高。 结论 在做数控车床尾座箱的拓扑优化时，最大位移、最大应力和低频尾座箱经过了优化设计后数据基本上保持不变化。数控车床尾座符合设计的要求并且重量是减少了 5。它同时也使尾座运动更加灵活并且降低了尾座的运动惯性。 采用了有限元软件分析的产品可以节省它的制造的原型和测试的成本。并且还可以获得在软件设计产品时的主要性能特点，它还可以提供优化的结构和大小。 参考文献： 1他翀宇，尹志宏 .分析与尾座盒 J优化 .科学技术与工程， 2012,25： 6433-6436 2叶志明 .基于整机 D.科技 .大连大学， 2013 的刚度机床床身结构优化设计 3敖冬强，陈超群 ,马金凤，杨飞 .静态及动态特性分析与优化立式加工中心床 J.机械设计与制造， 2013,12： 221-223-227 4杨爱