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TK69数控落地铣镗床关键零部件的设计,设计
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编号本科生毕业设计（论文）题目TK69系落地铣镗床关键零部件设计机械工程学院机械工程及其自动化专业学号0401110435学生姓名恽旺旺指导教师武美萍教授二一五年六月设计总说明在很多机械应用场合中，例如采矿、冶炼金属以及能源钻探等，全部需要采用体型庞大的数控镗铣床，当然这种机床在输送电力的设备、宇宙飞船卫星火箭、高级轿车、军事科技等领域的制造生产方面也有着无与伦比的优势。数控落地镗铣机床的工作原理是将主轴集成在滑枕的内部然后使其运动，该机床工作的过程是在1000MM左右的范围内，滑枕在主轴箱的内部进行运动，由于滑枕它的自重有将近2500KG，所以滑枕在工作的过程中会受到自重和切销力的一起的合力继而引起其一定程度的形变量，故很容易导致不满足国家规定的加工精度的标准，同时其也是生产过程中发生主轴低头现象的根本原因，而该现象的发生也将导致机床在加工时产生精度较低的状况且导致误差的出现。本论文则通过对TK6920这种大规模的数控镗铣床中的零部件滑枕的分析后进行了有限元模型的成立，其基本逻辑分析过程是第一先对其理论进行了讨论，接着通过成立的有限元模型运用ANSYS分析软件实施该部件受力真实情况的模拟，然后用变形量为主要的分析量进行研究，再通过增加材料的刚度，从而是机床的灵敏度更加精确。本论文的主要研究内容如下（1）首先本文阐明了本文所选题目的原因和作用。借助研究TK6920数控铣镗床结构以及具体的受力情况，通过利用ANSYS有限元分析软件在具体领域之间的利用，在此基础之上说明了国内的较大型号数控铣镗床在生产过程中碰到的难题，最后详述了CAD/CAM的工作原理以及实际的应用情况。（2）通过对机械零部件设计的基本理论分析了TK6920数控镗铣床的零部件滑枕的具体情况第一了解了它在静止状态下的力学性质，接着在了解它力学性质的基础上通过实验对滑枕的具体构造进行分析，并在这个基础上分析提升其性能的措施。（3）讲解利用有限元的分析方法的具体思路，然后利用该理论推出TK6920数控铣镗床零部件滑枕的计算方程式，最后采取分析软件ANSYS构建出滑枕性能情况的分析力学结构模型，其中有该模型的构建以及分析网格数的计算等，从而开始构建该模型的静力学的分析过程。（4）最后一步是利用三维造型软件SOLIDWORKS建立的数学模型，接着借助构建的数学模型再联系并加入到ANSYS分析软件之中，而通过利用ANSYS分析软件对滑枕三维数学模型进行分析进而给机械生产提供可供借鉴的资料。关键词TK6920数控镗铣床，滑枕，数学分析模型，3DABSTRACTINMANYMECHANICALAPPLICATIONS,SUCHASMINING,METALLURGYANDENERGYEXTRACTION,ETC,NEEDTOUSELARGECNCMILLINGMACHINES,OFCOURSE,THISKINDOFPOWERTOOLSINTHEFIELDOFTRANSPORTATIONEQUIPMENT,SATELLITESPACECRAFTROCKET,LIMOUSINES,MILITARYTECHNOLOGY,SUCHASINDUSTRIALPRODUCTIONALSOUNIQUEADVANTAGESCNCFLOORTYPEBORINGANDMILLINGMACHINEWORKINGPRINCIPLEISINTEGRATEDINTHERAMSHAFTALLOWEDACTIONS,RANGEMACHINEWORKINGPROCESSISABOUT1000MM,RAMMOVEMENTWITHINTHEMAINBEARING,BECAUSEOFITSNEARRAMWEIGHT2500KG,SOTHERAMLABORWILLTOGETHERANDSHAVINGSFORCINGTHEIRWEIGHT,ANDTHENCAUSEACERTAINDEGREEOFDEFORMATION,ITCANEASILYLEADTOPROCESSINGACCURACYDOESNOTMEETTHENATIONALSTANDARD,BUTTHEROOTOFINGOTPRODUCTIONPROCESSITISALSOTHEPHENOMENON,ANDTHISPHENOMENONWILLCAUSETHEMACHINETOPRODUCELESSACCURATEPROCESSINGSTATE,RESULTINGINANERRORFIRSTPARTOFTHEFIRSTDISCUSSEDHISTHEORY,FOLLOWEDBYTHEESTABLISHMENTOFFINITEELEMENTMODELOFTHEACTUALUSAGEOFANSYSSIMULATIONSOFTWAREFINITEELEMENTANALYSISMODELWASESTABLISHEDAFTERTHERAM,THEBASICLOGICOFTHEANALYSISPROCESSPAPERLOTTK6920CNCMILLINGMACHINESANDSPAREPARTSPRESSURE,ANDTHENANALYZESTHEMAINDEFORMATION,THENBYINCREASINGTHEHARDNESSOFTHEMATERIAL,MOREACCURATESENSITIVITYMACHINESTHEMAINCONTENTSAREASFOLLOWS1FIRST,ANOVERVIEWOFTHECAUSESANDEFFECTSOFTHISARTICLETOPICANDRESEARCHTK6920CNCMILLINGANDBORINGSTRUCTURESANDTHESPECIFICCIRCUMSTANCES,THEUSEOFANSYSFINITEELEMENTANALYSISSOFTWAREINUSEINSPECIFICAREAS,BASEDONTHELARGERISSUEOFCNCMILLINGANDBORINGDESCRIPTIONOFTHEMODELDOMESTICENCOUNTEREDINTHEPRODUCTIONPROCESS,THEFINALDETAILEDCAD/CAMWORKANDPRACTICALAPPLICATIONSMEASURESTOFIRSTUNDERSTANDITSMECHANICALPROPERTIESINASTATIONARYSTATE,ANDTHENONTHEBASISOFTHEMECHANICALPROPERTIESOFUNDERSTANDING,THROUGHEXPERIMENTSANDANALYSISOFTHESPECIFICCONFIGURATIONOFTHERAMRAMCASETHEORY2MECHANICALCOMPONENTDESIGN,ANDANALYSISOFTHETK6920CNCMILLINGMACHINEPARTSTOIMPROVEITSBASICPERFORMANCEANALYSISUNDERMEMORYCOMPUTINGEQUATION,ANDFINALLYTHEANALYSISSOFTWAREANSYSSTRUCTURALMECHANICSANALYSISMODELBUILDINGMEMORYPERFORMANCEINTHECASE,INBUILDINGAMODEL3TOEXPLAINTHEUSEOFFINITEELEMENTANALYSISOFSPECIFICWAYOFTHINKING,THENLAUNCHTK6920CNCMILLINGANDBORINGPARTWITHTHISTHEORYANDTHENUMBEROFCOMPUTINGGRIDANALYSISFORSTATICANALYSISPROCESSMODELBEGAN4THELASTSTEPISTOUSEMATHEMATICALMODELSOFTHREEDIMENSIONALMODELINGSOFTWARESOLIDWORKS,THENUSEDAMATHEMATICALMODELTOBUILDANDANOTHERLINKTOTHEANSYSSOFTWARETOANALYZETHREEDIMENSIONALMATHEMATICALMODELBYUSINGANSYSSOFTWARETOANALYZEANDTHENTOTHETESTMACHINEPRODUCTIONTOPROVIDEREFERENCEINFORMATIONKEYWORDSTK6920CNCBORINGANDMILLINGMACHINE,RAM,MATHEMATICALANALYSISMODEL,3D目录第1章绪论111课题研究的背景和意义112研究意义及国内外研究状况2121国内外数控落地铣镗床发展现状2122国内外数控落地铣镗床研究方法及现状2123数控机床应用前景的研究3124计算机辅助技术在机械领域的应用现状313本文的主要研究内容5131本文课题的提出5132论文的主要内容5第2章TK6920落地铣镗床关键部件滑枕的分析721滑枕坐标系介绍822滑枕的受力分析情况10221分析滑枕在工作过程中受力情况10222确定滑枕在伸出时的镗削力12223滑枕在工作时的变形1323分析滑枕接触件的刚度17231镗杆轴轴承的刚度18232计算角接触球轴承刚度18233轴承受力情况18234轴承径向刚度的数值分析1924本章总结20第3章TK6920铣镗床滑枕的建模与有限元分析2131滑枕三维模型的建立2132有限元分析方法的概念2233有限元分析方法的步骤2234滑枕稳定性分析的模型22341力学分析模型22342数值计算模型2235有限元模型的建立23351滑枕模型23352SOLIDWORKS与ANSYS150的数据交换23353网格划分25354计算和数据处理2636滑枕的谐波响应分析28361滑枕动力学分析28362谐波响应的基本概念29363模型建立及施加载荷29364结果分析3037本章小结33第4章结论与展望3541结论3542展望35参考文献37致谢411第1章绪论11课题研究的背景和意义本课是江南大学和无锡桥联数控机床有限公司共同合作的产学研项目。无锡桥联数控机床有限公司是一家民营科技型企业，主要生产项目即为大型数控机床，本课题的研究对象就是TK6920大型数控镗铣机床，TK6920型数控落地铣镗床是非常先进的机械加工机床，它的生产机械的速度非常之快，加工生产的产品种类也非常之多。此种机床可以实现许多种类的大零部件的生产以及复杂零件的生产。在很多机械应用场合中，例如采矿、冶炼金属以及能源钻探等有非常重要的应用，是一种不可或缺的大型机床。我国要想快速发展机床工具行业必须立足于自主创新，构建和完善以企业为主体、以市场为导向、产学研用相结合的技术创新体系坚持加大研发费用投入加强关键技术、共性技术的研究，力争在基础和共性技术攻关上有所突破，提高产品开发技术水平。而滑枕作为TK6920型机床的关键零部件，同时也作为机床生产产品的关键零部件，在整个生产活动之间，其总是被不断地做伸出和回缩运动，而且当滑枕伸出的长度较大以及滑枕材料密度较重时，会形成悬臂梁。此时，机床下面支撑架的重心可能会产生误差，从而使它原来所在的地方产生位移，同一时间由于它本身质量的原因会使它产生弯曲变形，此状况在生产加工零件领域被称作低头现象。由于此种状况的存在，导致滑枕真地偏移过程会与理论上的偏移过程不一致，所以无法确保该机床加工的精确程度。所以，利用有限元软件对该机床的滑枕零部件进行分析并对其进行一定的性能优化是十分必要的。在人们更注重生活质量的大环境下，在加工和制造产品时，产品的精度和质量就变得更加的重要了，从而对产品的生产制造技术有着巨大的推动作用。而随着产品越来越个性化，在如今的生产制造过程中设备生产的智能化、高柔度、高精度、高效率等特征就显得特别重要，同时这种生产过程必须是全部无人或少量人员的生产。通过上面的知识了解到未来产品的生产具有个性化和小批量的特点，所以，借助数字化设计和加工的设备在未来的生产制造过程中具有无可替代的重要性。212研究意义及国内外研究的情况121国内外数控落地铣镗床发展现状数控落地铣镗床在国外起步较早，很多技术已经非常成熟。目前已经涌现出很多著名的生产企业，具有代表性的生产企业有德国的通快公司、西门子公司、日本的山崎马扎克、天田公司、小松公司、森精机公司、法国的FORESTLINE公司、西班牙BOST公司及国内的沈阳机床厂、大连机床厂、济南第二机床厂、武重机床厂等。其中年生产及销售排在前面的几家公司分别是沈阳机床厂年产值及销售达2782亿美元，德国的通快年产值及销售达到2392亿美元，日本的山崎马扎克年产值及销售达到2525亿美元。我国在紧跟时代步伐的同时，也涌现出很多研究数控落地铣镗床的企业，在大型数控落地铣镗床方面，具有代表性的是齐二机床厂研发生产的TK6932超重双立柱数控落地铣镗床，该机床填补了我国在大型超重数控落地铣镗床上的空白，对发展我国大型数控落地洗镗床具有很重要的参考价值。122国内外数控落地铣镗床研究方法及现状目前我国已经具有自主研发和生产大型数控落地铣镗床的能力。我国自主研发生产的数控落地铣镗床已经能满足加工需求，并能较好的完成一些工业设备中大型零件的加工，如风机叶片轮毂、机舱座等大型零部件的加工。尽管加工零件的参数已经能够满足要求，但由于国内大型数控铣镗床的研究较晚，在生产运行方面还存在很多不足，所加工的零部件同国外知名机床相比还存在一定的差距。通过许多学者和专家研究发现，引起加工误差的主要原因可归结为机床关键零部件的结构刚度、热力学性能、机床结构的轻量化等。因此国内外许多学者和科研机构对大型数控落地铣镗床已经做了相关的研究，由于大型数控落地铣镗床结构复杂，外形尺寸非常大，所以国内很多专家学者对铣镗床的研究都通过建立相关零部件模型的基础上，借助有限元分析软件进行理论分析研究。与此同时国外在大型铣镗床的研究也相比较多，而且起步较早，他们在借助相关软件和理论分析的同时也做了相关的验证性试验。对我国生产大型、高端数控落地铣镗床具有很重要的指导意义36。3123数控机床应用前景的研究由于中国数控机床仍然落后。中国数控机床市场巨大，与国外相比，中国的差距主要是机床的高速高效化和精密化上。煤炭、汽车、钢铁、房地产、建材、机械、电子、化工等一批以重工业为基础的高增长行业发展迅速，构成了对机床市场尤其是数控机床的巨大需求7。124计算机辅助技术在机械领域的应用现状随时分析故障原因。随着计算机技术及应用的发展，特别是大规模、超大规模集成电路和微型计算机的出现，使计算机图形学（COMPUTERGRAPHICS，CG）、计算机辅助设计（COMPUTERAIDEDDESIGN，CAD）与计算机辅助制造（COMPUTERAIDEDMANUFACTURING，CAM）等新技术得以快速的发展。CAD、CAM已经在机械行业的各个领域中得到了广泛应用，成为最具有生产潜力的工具，取得了巨大的经济效益810。（1）、CAD计算机辅助设计计算机辅助设计CADCOMPUTERAIDEDDESIGN指利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作。在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较，以决定最优方案；各种设计信息，不论是数字的、文字的或图形的，都能存放在计算机的内存或外存里，并能快速地进行检索、修改和存储。1）CAD的发展历史和应用情况CADCOMPUTERAIDEDDESIGN，计算机辅助设计）诞生于二十世纪60年代，是美国麻省理工学院提出的交互式图形学的研究计划，由于当时硬件设施昂贵，只有美国通用汽车公司和美国波音航空公司使用自行开发的交互式绘图系统。二十世纪70年代，小型计算机费用下降，美国工业界才开始广泛使用交互式绘图系统。二十世纪80年代，由于PC机的应用，CAD（计算机辅助设计）得以迅速发展，出现了专门从事CAD系统开发的公司。当时VERSACAD是专业的CAD制作公司，所开发的CAD软件功能强大，但由于其价格昂贵，故得不到普遍应用。而当时的AUTODESK（美国电脑软件公司）公司是一个仅有员工数人的小公司，其开发的CAD系统虽然功能有限，但因其可免费拷贝，故在社会得以广泛应用。同时，由于该系统的开放性，该CAD软件升级迅速。计算机技术的发展使得计算机在设计活动中得到更有技巧的应用。如今，CAD已经不仅仅用于绘图和显4示，它开始进入设计者的专业知识中更“智能”的部分1113。2）CAD造型理论A根据一定的数值进行参数化设计是REVITBUILDING的一个，它分为两个部分参数化图元和参数化修改引擎。REVITBUILDING中的图元都是以构件的形式出现，这些构件之间的不同，是通过参数的调整反映出来的，参数保存了图元作为数字化建筑构件的所有信息。参数化修改引擎提供的参数更改技术使用户对建筑设计或文档部分作的任何改动都可以自动的在其它相关联的部分反映出来，采用智能建筑构件、视图和注释符号，使每一个构件都通过一个变更传播引擎互相关联。构件的移动、删除和尺寸的改动所引起的参数变化会引起相关构件的参数产生关联的变化，任一视图下所发生的变更都能参数化的、双向的传播到所有视图，以保证所有图纸的一致性，毋须逐一对所有视图进行修改。从而提高了工作效率和工作质量。这样的一种方式具有两方面的好处，一是避免了以往建模中各个图元之间完全自由无约束的状态，可以让图形的变化在设计者所控制的范围内；二是能够在设计的后期发现尺寸不合适的时候可以修改尺寸，让尺寸的变化变得简单易操作。B借助一定的变化的量进行设计变量化VGX的全称为VARIATIONALGEOMETRYEXTENDED，即超变量化几何，它是由SDRC公司独家推出的一种CAD软件的核心技术，我们在进行机械设计和工艺设计时，总是希望零部件能够让我们随心所欲地构建，可以随意拆卸，能够让我们在平面的显示器上，构造出三维立体的设计作品，而且希望保留每一个中间结果，以备反复设计和优化设计时使用，VGX实现的就是这样一种思想。2、CAE计算机辅助工程CAE计算机辅助工程1820其主要的工作用计算机辅助求解分析复杂工程和产品的结构力学性能，以及优化结构性能等。而CAE软件可作静态结构分析，动态分析；研究线性、非线性问题；分析结构（固体）、流体、电磁等。其中比较常使用的方法是FEM（FINITEELEMENTMETHOD）。1利用FEM方法进行分析的软件发展态势利用FEM方法进行分析的软件自刚开始的应用起就使人们非常的喜欢，这5种现象主要是由于从设计人员的角度来说，电脑虽然已替这些人做了开始的部分，但是工作人员也期许电脑也能在接下来的工作中派上用场，由此利用FEM方法进行分析会使得设计的成本降低，并且减少产品研发的时间。2有限元分析方法在物体力学特征分析中的利用有限元分析可完成力学分析（线性、非线性、静态、动态）；场分析（热场、电场、磁场等）；频率响应和结构优化等。机构分析能完成机构内零部件的位移、速度、加速度和力的计算，机构的运动模拟及机构参数的优化。3FEM软件的意义电脑在物品加工的过程中的高效率导致了相关领域规划水平的提升，现在不同的电脑设计软件之间的竞争日趋白热化，在用户巨大的需求之下各个企业不断开发出新的产品，同时软件的功能也更加的强大。如今市场上在应用的有限元分析软件都具备如下特征2223（A）零件的加工时间缩短；（B）零件的质量大幅度提高；（C）产品的规划成本减少；（D）问题消除在零件在设计之初；13本文的主要研究内容131本文课题的提出本文借助FEM的思想和方法对部件的力学情况进行了解，同时根据TK6920数控铣镗床的关键零部件滑枕存在的不利因素，分析该设备的结构并进行优化。第一要根据TK6920数控铣镗床的关键零部件滑枕采用有限元分析，其次需借助三维软件对其进行3D模型的构建，接着将其加入到ANSYS软件之中进行分析，提出滑枕部件的杂在结构方面的不利因素并进行优化，借助于优化后的结果进行验证。本文借助无锡桥联数控机床厂的TK6920机床达到分析目的。132论文的主要内容本文利用FEM分析的方法对机床的结构进行了分析，同时根据TK6920数控铣镗床的关键零部件滑枕存在的不利因素，分析该设备的结构并进行了优6化。主要内容如下第1章绪论，阐述了课题来源与背景。第2章数控落地铣镗床工作原理及结构分析，分析TK6920数控落地铣镗床结构静态力学性能。第3章建立滑枕的三维模型，阐明了FEM原理的基本思想，同时根据该思想建立了计算公式，借助于分析软件建立数学模型，其内容主要有模型的构成和网格的分析以及力学的分析过程。第4章结论与展望。7第2章TK6920落地镗铣床关键部件滑枕的分析研究数控落地铣镗床的热动态性能分析时，需要深入了解数控落地铣镗床的工作原理，并对相关的零件进行建模。为此本章与无锡侨联数控机床有限公司生产的TK6920数控落地铣镗床结合，在熟悉了解该机床工作原理及结构性能之后，建立相关的结构模型，并对相关的结构进行分析，为本课题后续的研究奠定了重要基础。在日新月异的科技浪潮中，许多大型机床的加工速率、精度以及智能化程度都得到了极大的提升。在机械加工领域，为了提高加工的速率和准确性，机械加工设备的复杂程度和技术难度也越来越高。从一个加工设备的角度看，他最后加工生产出来的零件的质量要受到其他系统对其的影响，通过利用统计学的方法，会发现其他系统对其的影响会占比较大的比例有数据表明这一因素造成的误差占总误差的70左右24。根据如今的大型数控机床的结构特征，可以发现由于它自身的重量以及直径都比较大，故此机床在工作的过程中时常会产生由于以上因素而导致的问题。工程那个是为了解决这个问题就会在数控机床上多添加一个零部件滑枕。这个零部件的主要涉及作用是防止主轴变形，可是在有了滑枕零部件后，该设备的加工准确度就要受到其他部件之间因刚度而产生的摩擦的影响。滑枕与主轴相互之间的柔性影响程度占整个影响的60左右25。如下图展示了TK6920数控落地铣镗床的实际结构。8图21TK6920数控落地铣镗床21滑枕坐标系介绍机床坐标系机床坐标系是机床自身固有的坐标系，在机床生产时就已设定，不能随意改变。1、机床坐标系的确定原则一般情况下，机床的坐标系通过以下三个原则来确定机床坐标系采用标准笛卡儿直角坐标系，并依以下三项原则建立1符合右手法则如图所示，大拇指指向X轴正方向，食指指向Y轴正方向，中指所指方向为Z方向；或者用手掌由X轴正向向Y轴正向握拳，而拇指向Z轴正方向。9图22笛卡尔坐标系2绝大多数数控机床的Z轴与主轴方向一致，但Z轴的正向要兼顾其它两条原则。3刀具远离工件的方向为坐标轴正向。不同的机床，运动的分配形式各异，此原则强调的是刀具与工件的相对运动方向。有效的方法是以机床坐标系原点作为参考，确定刀具是否远离工件。2、如何具体的确定坐标系1X坐标立轴在滑座上来回移动，其移动方向为X轴；2Z轴主轴箱可沿立轴上下往复移动，其移动方向为Y轴；3Z轴根据加工需要，滑枕在进给丝杠的控制下可在主轴箱中往复移动，其移动方向为Z轴；Z轴是承受切削力的主要方向。如果机床有几个主轴，则选一垂直于装夹平面的主轴作为主要主轴；若机床没有主轴（龙门刨床），则规定垂直于工件装夹平面为Z轴。轴一般都是与传递主切削动力的主轴轴线平行的，如卧式数控车床、卧式加工中心，主轴轴线是水平的故Z轴分别是左右、和前后。立式数控车床，立式数控加工中心，主轴是竖直的，故Z轴分别是上下。4刀具偏移方向分析在有了笛卡尔坐标系时，需要在各个轴上用字母标出，而且需要根据是否加撇号来阐明刀具的移动方向，有撇号的一侧是负向，另外一侧则为正向。1022滑枕的受力情况分析如今，在电脑科技不断进步的浪潮下，在各个行业的各个领域内都开始采用电脑技术，这种技术的采用提高了工作效率、降低了生产制造的成本。此种技术在数控车床领域的应用，为其知识的进一步探索提供了很有价值的帮助。例如在车床的零部件主轴中其自重以及直径很大，假如借助一些寻常在实践过程中应用的方法，就会存在低效率以及生产加工成本太大的问题，除此之外在多数情况下由于实验条件的原因有可能导致无法实验。然而通过借助CAE工程就能把这个问题化为无形之中，同时在实际的实践过程中了解到，利用计算机得出的结论和真实的情况相差不大。由此可以说正是由于电脑科技的发展才能使得现在机床零部件滑枕的生产更加的方便快捷。首先对机床的关键零部件滑枕建立了三维的数学模型，接着借助相应的分析软件对其进行数学计算，整个分析实验的过程之中，可以借助电脑的人力无法企及的数学运算能力来对其进行分析。采用电脑的虚拟计算能使得机床关键零部件滑枕的受力情况更加直观的显示出来。当然在如今的应用软件之中能具备此种性能的工具有很多种，而本文在工作和实验的进程中使用的是ANSYSWORKBENCH150221分析滑枕在工作过程中受力情况滑枕在落地铣镗床中连接主轴箱和主轴，且能够减小主轴在加工过程中的弯曲变形。滑枕的整体外形为长方体，四面均为导轨面，内部安装铣轴和镗轴。通过第二章对数控落地洗镗床的工作原理和结构分析可知，滑枕是数控落地铣床中关键部件，在所有的变形误差中滑枕导致的变形误差最大，因此很有必要对滑枕进行相关研究27。由于滑枕在各因素特别是自重的影响下导致滑枕因重心偏移而引起前端低头，图23形象的表示了滑枕的弯曲变形图。当滑枕产生弯曲变形以后，主轴工作时其实际中心轴线与理论中心轴线发生偏移，从而导致加工误差29。11图23低头现象本文之中主要的研究对象为TK6920型的大型数控落地镗铣床。借助了解此数控机床的关键零部件分析出此零部件对实际距离误差的影响。此种类型的数控铣镗床滑枕部件的参数如下序项目名称单位参数1滑枕截面积MM4505002工作行程MM10003总体长度MM33004材料型号HT2505材料的密度KG/M74006弹性模量GPA1307泊松比026图24现实的数控车床关键部件的受力状况。根据图示可以了解到，如果此机床的关键部件滑枕过长的话，它的自身所受到的地球引力就聚集在它较长的那一侧，且借助图25我们可以看出这一侧除了受到自重的影响外还存在镗削力、切削力以及进给力对滑枕的影响，因此他们的形变可能比正常情况下大。图24滑枕伸出主轴12图25受力分析222确定滑枕在伸出时的镗削力机床在工作过程中，被切屑零件对铣轴和镗轴的反作用力间接作用在滑枕上，该切削力是影响滑枕挠曲变形的主要因素。因此本章对滑枕在不同工况下受力计算，为后续章节对滑枕结构的分析研究有很大的帮助。而本文为了使得分析的算术过程不那么复杂就借助了常用的经验计算式子。滑枕在工作过程中所受到的镗削力的大小取决于切削量和所切削材料，计算滑枕所受的镗削力非常复杂。由于本文主要的研究工作是滑枕在不同工作行程下的变形，并且径向力与进给力对于滑枕的挠曲变形影响很小可以忽略，所以在本文中主要研究切向力对滑枕的作用，其切向力的经验公式为功率常数进给率切削深度610963TF利用TK6920大型数控落地镗铣床进行加工的工件一般是大型的金属材料，所以与普通机床相比，切削用量比较大，特别是在粗加工过程中，镗轴承受的载荷也最大。根据加工经验，在机床粗加工阶段各个参数为AP8MMMIN/628MV粗加工时机床转速约MIN/1000R，功率常数为098由经验公式得290413180TFLBSN13223滑枕在工作时的变形通过上面的分析可知滑枕由于受到力的作用而出现弯曲变形，工程中将这种变形称为挠曲变形现象，此时将滑枕简化为悬臂梁结构如图26所示。当悬臂梁由于端部受力发生弯曲变形时，其横截面与轴线仍处于正交，因此工程中通常用悬臂梁横截面的角位移与横截面上轴线的线位移表示梁的变形情况。借助支杆的分析可以使我们了解到，每次在中心轴发生变形时，该支杆的横截面依旧与中心轴垂直30。图26挠曲轴当梁受到垂直方向的力发生弯曲变形时，将横截面形心沿与轴线垂直方向位移称为挠度。在悬臂梁结构中，在梁的不同位置点的挠度是不同的，通常情况下梁的不同位置的截面挠度也不同。梁的挠曲变形方程可表示为XWW因为在支杆发生角度偏移的情况下，它的固有长度还是维持不变的。因此与中心轴垂直的截面中心也会产生距离变化。在支杆产生不大的偏移时，它的中心线变化也不大，然而此时截面的中心变化较大，这个时候能用此方程作为支杆形变的数学表达式，并为其起名为挠曲方程。支杆的截面的角变化为。而从支杆角度来看是可以忽略的，因此支杆的中心线与其截面还是垂直的关系。挠曲线在该点的切线与轴的夹角表示悬臂梁上该点横截面的转角，表示为14（21）其悬臂梁截面的转角非常小，通过式（21）求得（22）根据上面的式子得出此处的斜率是和等同的同时也可以采用中性层的曲率来表示弯曲变形情况EIM/1（23）此公式中的字母所代表含义如下M弯矩；曲率半径；I横截面的惯性矩；E弹性模量。式（23）表示在弯曲和剪切的变形情况，当梁的跨度远远大于其自身的截面尺寸时，此时，曲率和弯曲刚度可表示为函数，因此式（23）可表示为EIXMX/1（24）根据前面的计算式可以了解到支杆的中心线上的曲率X/1与弯曲刚度EI是反比例关系，相反，和弯矩XM则是正比例关系。因此，悬臂梁挠曲线上某点的曲率可表示为2/3222DW1DXWDX1DX）（25）由式（24）和（25）得EIXMDXDWDXW2/32221D（26）式（26）是悬臂梁的挠曲线微分方程，滑枕在实际情况下其转角非常小。在实际计算中可以忽略，因此式（26）可简化为15EIXMDXW22D（27）也即XDXWD122而在真实的计算情境下一班使用如下式子EIXMDXW22D（28）对（28）积分得CDXEIXMDXDW（29）DCXDXDXEIXMW（210）C、D表示积分常量。本论文中将数控车床的关键零部件滑枕进行了简化的展示，以使问题简单。展示图如下图27所示。确定（29）、（210）中的积分常数时，可以通过横截面的已知位移得到。本文将滑枕简化为悬臂梁结构，根据梁截面长度为0的地方其变形量也为0的已知条件作为边界条件得00W（211）00（212）将式（211）、（212）带入式（29）、（210）中，从而计算出了机床关键零部件滑枕的挠度算式EILFEILW38Q304（213）16在上面公式中，各个字母所代表的意义L滑枕的工作行程；Q滑枕的均布载荷；0F滑枕所受切削力。负号是方向。图27表示滑枕的截面简图，由前面滑枕的相关参数，并根据建立滑枕的三维模型及相关参数，得滑枕因自重而产生的均布载荷为756328N/M。根据材料力学中计算惯性矩的方法，可得到滑枕截面惯性矩的公式为计算可得1212322311AHBHBIIIB（214）图27截面示意图将数据带入式（214）中可得滑枕的截面惯性矩为I257X103M4在通过理论分析和数值计算滑枕的挠曲变形时，以滑枕工作行程150MM为起点，相关分析数据以100MM为间隔进行分析计算。根据以上要求将相关数据带入（213）中，可计算出滑枕在不同工作行程下的变形量，即滑枕在不同工作行程下的理论最大挠度表21滑枕在不同工作行程下理论最大挠度滑枕行程（MM）150250350450550650750850滑枕扰度（UM）01010125082109633212364181241121617从表21可知，当滑枕处于最大工作行程850MM时，其变形最大为11216M。尽管从理论上分析滑枕的变形符合要求，但在实际工况下滑枕的受力非常复杂，不仅受重力及镗削力的作用，同时还会受到热载荷的作用。而本节在对滑枕进行挠曲变形计算时，忽略了滑枕实际工况中的很多复杂情况，只考虑滑枕受自重及镗削力，所以需要对滑枕做进一步的分析。23分析滑枕接触件的刚度通过上面的知识可以了解到，TK6920型数控落地镗铣床的关键零部件滑枕发生形变的主要影响因素存在如下几项（1）在设备运行过程中，会受到由镗轴对它的作用力，这个力与其变形量成正比例关系。（2）它和与它所关联的零部件的刚性也会对其形变量造成不可忽视的影响；（3）其自身在机床里面运动范围的大小对其形变量的影响。前面的表格21总结了这一因素的作用。而在真实生产环境下，通常利用的方法是借助于不同的刚性材料来降低影响。构成机床关键零部件滑枕的各个零件有轴承、紧固件以及传动件。在对这些相关零部件进行数值计算时，应该进行模型简化，并且此模型需要包括所有的变量。下图28为修改之后的结果。图28简化结构18231镗杆轴轴承的刚度数控车床生产制造的产品的质量与其支撑和旋转机构的稳定性有关，因此了解数控车床的支撑和旋转系统是必不可少的环节。TK6920型数控落地镗铣床采用的轴承为角接触球轴承，他为本课题的分析目标之一。评价车床支撑和旋转机构的好坏通常根据下面几个因素来进行判断（A）在受到不平衡力的作用时，因为当机器突然不运作和突然运作的情况下会产生因受到力的突然的冲击作用而导致的不平衡问题；（B）自身震动的影响；（C）受到其他零件施加的力而产生振动的影响；（D）在工作时设备的声音大小的因素，因为设备自身会产生一个振动的状况，与此同时镗轴的支撑和旋转系统则是数控车床的中不可缺少的零部件。在刚开始构建此系统三维模型的时候，就需要对此系统的各个不同部位的硬度进行必不可少的研究，这样做的原因是这些部位的硬度和已经构建的三维数学模型的准确性有很大关系。通常情况下都是采用赫兹的学说来进行分析和研究的3133,他的学说提出了下面的三个不同方面的假想条件1接触区发生小变形；2接触面呈椭圆形；3相接触的物体可被看作是弹性半空间，接触面上只作用有分布的垂直压力。232计算角接触球轴承刚度TK6920型数控镗铣床关键零部件滑枕的轴承使用7240C型轴承，它为角接触球式，因此设备运行的时候，它要受到直径方向以及主轴箱的共同作用。表22角接触球轴承参数型号类型内径外径厚度接触角7240C角接触球轴承200MM360MM58MM15233轴承受力情况因为此轴承为角接触球式，故在设备运行的时候，它要受到直径方向以及主19轴箱的共同作用。因此滚珠上就存在了因两个不同压力而产生的尖角。要解决这个问题需再施加一个外力。下图29阐释了它的所受的力学情况图29轴承受力图因为它要受到直径方向以及主轴箱的共同作用，故这种情况会导致它的内外距离会发生变化，同时又由于受到的力的不均匀性，从而导致轴承内滚珠的变化也不尽相同3436。234轴承径向刚度的数值分析通常数控车床的轴承座的固定方式可能存在两种不同的方法（A）定位预紧；（B）定压预紧。而本论文中为了减少计算和降低复杂程度只考虑它受到直径方向力的作用而产生形变，此时其刚度计算式子为MNFDZDKABB/SINCOS107723613/103/123/122/17R（216）公式（216）中，各字母所代表的意义FA0为预紧力；Z滚珠数目；接触角度；D滚动体直径。根据技术手册上的数据，然后利用公式（216）就得出其刚度大小，经计算求得本课题所采用的轴承刚度是038。2024本章小结本章主要对TK6920数控落地铣镗床的总体结构、工作原理进行分析并对相关零部件进行分析讨论。在此基础上对铣镗床的关键部件滑枕进行相关的分析，包括滑枕的结构组成、工作原理、变形分析、工作过程中受力分析及计算等，为后续章节滑枕的力学性能分析和热力学性能分析做很好的铺垫。同时，还求出来了简化后的轴承径向刚度计算公式。21第3章TK6920铣镗床滑枕的建模与有限元分析31滑枕三维模型的建立本课题以TK6920系列数控落地铣镗床的关键零部件滑枕为研究对象，查阅国内外学者对TK6920系列数控落地铣镗床的关键零部件滑枕的研究状况，并去无锡桥联数控机床厂实地考察和学习，在熟悉掌握滑枕结构及工作原理的基础上，结合工厂相关技术人员的经验并查阅的相关尺寸资料后，运用SOLIDWORKS三维设计软件建立了分别如图31的枕三维模型图，图32所示的是滑枕的全剖视图图31滑枕三维模型图图32滑枕剖视图2232有限元分析的概念有限元分析的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段3738。33有限元分析的步骤有限元求解问题的基本步骤通常为问题及求解域定义，求解域离散化，确定状态变量及控制方法，单元推导，总装求解，联立方程组求解和结果解释。34滑枕稳定性分析模型341力学分析模型因为TK6920落地铣镗床关键零部件滑枕结构变化多端，其在不同点的截面尺寸不同，无法用一般的方法分析。第一步要做的就是根据其真实力学情况构建出数学模型，具体就是弹簧之间并联，以竖向承受载荷以及弹簧这样一个模型。此模型建立的基础是连续连续弹性梁学说，此理论假设滑枕为长梁。连续弹性基础梁分析的基本假定如下，滑枕为长梁，位移连续3940。342数值计算模型滑枕主要的零部件包括导轨、主轴箱以及其他相关联的零部件、横梁等，并且导轨是固定的。当然为了计算的方便，通常会把滑枕变化为单一的支杆，如下图32所示。23图33滑枕计算模型35有限元模型的建立351滑枕模型对于分析人员而言，在整个有限元分析过程中，建模是最重要、最关键的环节，这是因为建模不仅影响精度，而且影响计算过程，对人员的要求较高，花费时间长。所以在采用FEM的分析方法时，需要符合下列几个条件首先，所构建的三维模型其结构必须是符合实际情况的；其次，尽量缩小计算量，同时保证结果的准确；最后，构建的三维数学模型与其他相关零部件的关系必须和真实的状况一致4445。本文中滑枕作为主要的分析目标，其基本参数是以真实数据为依据的。建立滑枕数学模型的时候，可以采用自下而上生成三维图的技术，此种技术更加的直接与高效。352SOLIDWORKS和ANSYS150进行数据交互要达到借助ANSYS150分析SOLIDWORKS建立的滑枕实体进的模态，需要把SOLIDWORKS构建的实体加入到ANSYS150，因此需要SOLIDWORKS文件类型中的SLDPRT文件变成ANSYS150能读取的文件，常用的手段有下面几种。1借助PARASOLID文件格式PARASOLID是一个开发的，有一个公开的数据格式，PARASOLID是一个严格的边界表示的实体建模模块，它支持实体建模，通用的单元建模和集成的自由形状24曲面/片体建模。大多数高端的CAD/CAM/CAE系统有它们专门的几何建模模块嵌入在建模应用内，PARASOLID是一个可移动的“内核”，它可以用在多个系统高端和中端范围的二种系统中。ANSYS150中包括了PARASOLD的文件，同时SOLIDWORKS可以很便利的生成PARASOLD格式文件，它生成的文件带有X_T。所以在进行软件交互的时候，就可以采用此种文件形式在ANSYS150和SOLIDWORKS之间进行文件数据传输。具体的操作方法是第一双击打开ANSYS150然后单击FILEIMPORTPARA，接着双击打开SOLIDWORKS并生成PARASOLID格式文件，此时ANSYS150内显示为线条，如下图（34），最后一步按如下的顺序依次单击打开PLOTCTRLSTYLESOLIDMODELFACETS，此时变成实体模型。图34PARASOLID在ANSYS中导入文件2借助IGES文件格式ANSYS150中包括了IGES的文件，同时SOLIDWORKS可以很便利的生成IGES格式文件，它生成的文件带有IGS。所以在进行软件交互的时候，就可以采用此种文件形式在ANSYS150和SOLIDWORKS之间进行文件数据传输。但是因为这种方法比复杂，不容易实现，其主要原因是因为在ANSYS15025内进行模型的建模非常麻烦，比较繁琐。所以本论文在进行数据交换的时候没采取这种方法。3ANSYS150SOLIDWORKS接口首先需要在电脑里面安装ANSYS和SOLIDWORKS软件，然后在开始菜单里打开“CADCONFIGURATIONMANAGER”；接着打开界面后，勾选“WORKBENCHANDANSYSGEOMETRYINTERFACES”，勾选之后，灰色选项就激活了；再接着勾选“SOLIDWORKS”，“WORKBENCHASSOCIATIVEINTERFACE”两个选项，再点击下一步进入界面后，选择“CADCONFIGURATION”选项卡，再点击“CONFIGURATIONSELECTEDCADINTERFACE”点击之后，出现如图字样代表成功设置，“PREREQUISITESCONFIGURESUCCESSSWWORKBENCHPLUGINCONFIGURESUCCESS”退出设置对话框，弹出对话框，点击“是”，如图所示，这里ANSYS软件里面就设置好了353网格划分众所周知，对于有限元分析来说，网格划分是其中最关键的一个步骤，网格划分的好坏直接影响到解算的精度和速度。在ANSYS中，网格划分有三个步骤定义单元属性（包括实常数）、在几何模型上定义网格属性、划分网格。而表征网格划分质量的因素通常有三个网格的数目、网格的疏密程度、以及单元阶次。在此篇论文中分析的是机床关键部件滑枕，它的三维结构主体主要是外方内圆，所以采用ANSYS150进行分析时一般选取的是SOLID45类型的单元，这种单元为正方体结构，共有6个自由的维度。为了提升最后所得结果的准确度划分单元格的时候，通常会使用非线性的几何构造。下图（35）具体展示了单元格的划分情况。26图35单元格由于本文是对滑枕的研究，并且有鉴于其结构的特殊性本文采用了自由网格划分的方法。经过网格划分之后的滑枕模型其被划分成为了有55306个节点和227100个单元体的模型，划分结果如下图（36）图36网格划分滑枕的三维模型在网格划分的时候，非常容易出现应力集中的问题，此时需要采取防止网格过于密集的现象发生，否则就会导致分析的结果不准确。同时因为本文中借助的是自由网格划分的措施，并且滑枕的结构有点复杂，故网格划分的时候也许会导致软件发出报警信息，这些信息产生的原因多是由于网格尺寸的问题。354计算和数据处理27将有限元分析的结果进行展示依次单击打开下列命令菜单MAINMENUGENERALPROCESSORANALYSISCONTOURMAPNODE，接着列出来数据分析的下拉菜单。从中按顺序打开SOLUTIONDIRECTIONDISPLACEMENT，最后选择OK得到如下面几幅图的结果图（39）、（310）、（311）和（312）的有限元受力变形分析视图。图39X向图310Y向28图311Z向图312各向矢量和在对滑枕进行有限元分析之后结果显示，其所收到的最大应力位于滑枕的最外侧，它值的大小为MAX810MPA，同样滑枕所产生的最大变形也在滑枕的最外侧，其值的大小为SMAX0197MM。在有载荷的情况下，其形变量的产生的变化很小，各项参数也都在合理的范围内，此设计是
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