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利用ANSVS的数控车床尾座箱体分析及优化论文

时间:2022-10-08 08:52:05 数控毕业论文 我要投稿
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利用ANSVS的数控车床尾座箱体分析及优化论文

  引言

利用ANSVS的数控车床尾座箱体分析及优化论文

  数控车床尾座是机床的重要组成部分,起到夹紧定位工件的作用,它的静动态特性对机床加工精度及稳定性有直接影响。一般采取结构优化的方式来提高尾座的静态及动态特性,以提升尾座工作性能和稳定性。重型数控车床加工不同零件时,尾座需要来回运动完成夹紧、定位工件的任务,这就要求尾座质量适中,以便加大机构的灵活性。本文以HTC100型数控车床尾座箱体为例,通过UG建立精确的实体模型,利用ANSYSWorkbench软件对其进行有限元特性分析,根据分析结果进行拓扑优化,为尾座箱体的合理设计提供一种可行性的参考。

  1 在ANSYSWorkbench中设置材料属性、划分网格

  HTC100卧式数控车床尾座由灰铸铁HT300铸造而成,在ANSYS软件中进行有限元分析之前必须设置材料属性,HT300的弹性模量为143GPa,泊松比为0.27,密度为7340kg/m3。划分网格是有限元分析中关键环节,本文选用ANSYS12.0Workbench中提供的四面体网格划分法(Tetrahedrons中的PatchConforming法)对尾座箱体模型进行网格划分。选该方法最主要的两点理由:1)网格划分快速,适用于形状复杂的几何体。2)在关键区域能适应近似尺寸进行细化。网格划分后得到的有限元模型如图2所示,模型的节点数为56793,单元总数为33014。

  2 施加边界条件

  对尾座箱体进行静、动力学分析必须在ANSYSWorkbench中对箱体施加边界条件,包括箱体受到的力及转矩,以及确定箱体的支承表面。尾座箱体内部受力主要来自零件自身重力,其中顶尖、套筒、轴、齿轮等主要零件重力通过在UG软件自身“质量特征”功能获得。尾座箱体除受到内部零件重力外,还有加工过程中通过顶尖传递的切削力及力矩。现以加工长轴零件为例,根据厂家给出的经验数据,尾座对工件的夹紧力为5.28kN,车床所能提供的最大切削力为60kN,通过计算主切削力Fc=53.4kN,背向力Fp=18.6kN,进给力Ff=20.4kN。受力分析后得到箱体受到顶尖传来的力及力矩分别为:Fx=560N、Fy=1572350N、Fz=15120N、M=8811N·m,方向为绕Z轴逆时针方向。将这些力及力矩施加到箱体各个表面。尾座箱体整体固定在机床床身上,因此箱体底部接触表面受到固定约束。

  4 有限元分析

  4.1 静力学分析

  尾座箱体的静力学分析是计算在固定不变的载荷作用下,箱体的位移与应力,它不考虑阻尼与惯性的影响。其分析结果对箱体的结构优化有重要参考价值。对尾座箱体进行静力学分析,箱体的最大位移为1.23×10-4m,最大应力为4.44×107Pa。由计算结果可以看出箱体的最大位移数值较小,能满足加工精度需求。HT300的极限应力为300MPa,尾座箱体的最大应力远远小于材料的极限应力值,箱体刚度满足要求,因此有进一步进行优化的可能。

  4.2 模态分析

  机床在加工过程中,受到噪声与振动相互作用,产生周期性变化的激振力。这种激振力的频率与结构的固有频率相同或成整数倍时,容易引起共振,降低机床加工精度及稳定性。由于重型数控车床存在振动、噪声大等问题,因此很有必要对尾座箱体进行模态分析。在ANSYS中对箱体进行模态分析后得出箱体的前6阶模态如表1所示。HTC100型数控车床的主轴设计最高转速为200r/min,频率为3.33Hz。数据可以看出作用在尾座的激振力频率远远小于尾座箱体自身前6阶频率。不会发生共振现象,对工件加工精度影响不大。

  5 优化

  5.1 运用Workbench进行优化

  拓扑优化实质上是指在结构受到给定约束情况下,为了使目标量(总体刚度、自振频率等)稳定而寻求结构材料使用的最佳方案。利用ANSYSWorkbench中“ShapeOptimization”功能对尾座箱体进行拓扑优化。施加边界条件后,优化目标设置为5%,进行求解运算。

  5.2 根据分析结果进行优化设计

  由于分析结果中可切除区域分布不规则,在实际加工中必须考虑应力分布及工艺的复杂程度。因此不能把可切除区域全部切除。在SolidWorks中以规则几何形状大致切除可切除区域,质量减少1250.4kg,对优化方案进行有限元分析,其位移、应力可以看出优化后箱体的最大位移是1.2×10-4m,最大应力是4.65×107Pa。材料的极限应力仍然远远大于箱体的局部最大应力,位移数值也相对较小,对加工精度影响不大。

  6 结论

  1)利用有限元软件对产品进行分析可以节省厂家制造样机、实验测试的成本。在软件环境里运算得到产品的主要性能,为产品设计提供优化的结构及尺寸,这种新型的优化设计将会在未来机械设计加工过程中逐渐成为主流。

  2)利用Workbench对尾座箱体进行优化,优化设计后的尾座箱体最大位移、最大应力、低阶频率基本保持不变,在满足设计要求的基础上,质量减少了5%,使得尾座运动更加灵活,为产品设计更加优秀提供了一个可行的方案。

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