立式数控车床运动部件有限元分析及优化设计.pdf

设计计算 新技术新工艺 设计与计算4 5 立式数控车床运动部件有限元分析及优化设计*王核心1,李小飞2(1.宝鸡职业技术学院,陕西 宝鸡 7 2 1 0 0 0;2.宝鸡机床集团有限公司,陕西 宝鸡 7 2 1 0 1 3)摘 要:数控机床的运动部件是机床重要的组成部分,其结构的好坏将直接影响机床的加工精度和使用寿命以及快速响应动态特性。整个运动部件系统在质量和结构上存在裕量,其结构还具有较大的抵抗破坏和变形的潜力,需要对其进行结构优化及运动部件优化设计。以宝鸡机床集团有限公司开发的一款双刀架数控立式车床为例,应用S o l i d W o r k s软件对其运动部件进行三维模型建模,在具有足够加工精度、足够强度和刚度的条件下,通过有限元分析软件S i m u l a t i o n对运动部件进行有限元分析,从而实现运动部件的优化设计。通过改变运动部件的结构尺寸以期减轻重量,最大程度节省并合理分配材料,在保证机床加工精度和使用寿命的前提下提高机床的动态响应能力。关键词:数控机床;立式车床;运动部件;三维建模;优化设计;有限元分析中图分类号:T G 5 1 9.1;T G 5 0 2 文献标志码:AF i n i t e E l e m e n t A n a l y s i s a n d O p t i m i z a t i o n D e s i g n o f M o v i n g P a r t s o f V e r t i c a l C N C L a t h e sWAN G H e x i n1,L I X i a o f e i2(1.B a o j i V o c a t i o n a l T e c h n o l o g y C o l l e g e,B a o j i 7 2 1 0 0 0,C h i n a;2.B o c h i M a c h i n e T o o l G r o u p C o.,L t d.,B a o j i 7 2 1 0 1 3,C h i n a)A b s t r a c t:T h e m o v i n g p a r t s o f C N C m a c h i n e t o o l s w e r e a n i m p o r t a n t p a r t o f t h e m a c h i n e t o o l.T h e q u a l i t y o f i t s s t r u c-t u r e d i r e c t l y a f f e c t e d t h e m a c h i n i n g a c c u r a c y,s e r v i c e l i f e a n d f a s t r e s p o n s e d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e m a c h i n e t o o l.T h e w h o l e m o v i n g p a r t s s y s t e m h a d a m a r g i n i n q u a l i t y a n d s t r u c t u r e,a n d i t s s t r u c t u r e a l s o h a d g r e a t p o t e n t i a l t o r e s i s t d a m a g e a n d d e f o r m a t i o n.I t w a s n e c e s s a r y t o o p t i m i z e i t s s t r u c t u r e a n d t h e d e s i g n o f m o v i n g p a r t s.W e t o o k a d o u b l e-t o o l C N C v e r-t i c a l l a t h e d e v e l o p e d b y B o c h i M a c h i n e T o o l G r o u p C o.,L t d.f o r e x a m p l e.B a s e d o n S o l i d W o r k s s o f t w a r e,t h e t h r e e-d i m e n-s i o n a l m o d e l o f t h e m o v i n g p a r t s o f t h e v e r t i c a l C N C l a t h e w a s m o d e l e d.U n d e r t h e c o n d i t i o n t h a t t h e v e r t i c a l C N C l a t h e h a d s u f f i c i e n t m a c h i n i n g a c c u r a c y,s u f f i c i e n t s t r e n g t h a n d s t i f f n e s s,t h e f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s o f t h e m o v i n g p a r t s o f t h e v e r t i c a l C N C l a t h e w a s c a r r i e d o u t b y t h e f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s s o f t w a r e s i m u l a t i o n t o r e a l i z e t h e o p t i m i z a t i o n d e s i g n o f t h e m o v i n g p a r t s.T h r o u g h c h a n g i n g t h e s t r u c t u r e s i z e o f m o v i n g p a r t s t o r e d u c e t h e w e i g h t,w e r e a l i z e d t h e m a x i m u m s a v i n g s a n d r a-t i o n a l d i s t r i b u t i o n o f m a t e r i a l s.I n t h e p r e m i s e o f e n s u r i n g t h e m a c h i n i n g a c c u r a c y a n d s e r v i c e l i f e o f t h e m a c h i n e t o o l,w e i m p r o v e d t h e d y n a m i c r e s p o n s e c a p a b i l i t y.K e y w o r d s:n u m e r i c a l l y c o n t r o l l e d m a c h i n e t o o l s,v e r t i c a l l a t h e s,m o v i n g p a r t s,t h r e e-d i m e n s i o n a l m o d e l i n g,o p t i m i z a-t i o n d e s i g n,f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s 立式数控车床的运动部件要求其具有良好的快速响应动态特性,但在立式数控车床设计中,由于设计人员选择安全系数大以及凭经验设计等因素的影响,结构设计趋于保守,影响动态特性,整个运动部件系统在质量和结构上存在裕量,其结构还具有较大的抵抗破坏和变形的潜力1。此时就需要对其进行结构优化及运动部件优化设计,优化设计的目的是在立式数控车床具有足够加工精度的情况下,即从静力分析角度保证足够的强度、刚度的条件下,通过改变运动部件结构尺寸,以期减轻重量,最大程度节省并合理分配材料,提高材料的利用率和立式数控车床运动部件快速响应特性2。1 立式数控车床建模经过市场调研发现,宝鸡机床集团有限公司开发了一款双刀架数控立式车床,该机床主要面向汽车轮毂加工行业有针对性地开发的一款高效加工机床。设计之初,技术人员根据机床加工参数及以往设计经验完成了机床的三维模型的建立(见图1),主要加工零件如图2所示。该机床的运动部件主要包括左右床鞍、左右滑枕、左右刀架及刀座、刀具等附件。机床有2个X轴和2个Z轴,X轴移动时床鞍移动,滑枕、刀架及刀架附件不动,主要进行加工零件的端面加工3;Z轴移动时床鞍不动,滑枕、刀架及刀架附件运动,主要进行加工零件的外圆加工。机床运行时左右刀架同时对零件内外圆进行加工(见图2零件的粗线区域),这样既可提高加工效率,又能依靠内外圆同时加工抵消加工应力,减少此类薄壁零件因自身结构原因引起的震动,提高加工表面质量4。新技术新工艺 2 0 2 3年 第7期 4 6 新技术新工艺 设计与计算图1 双刀架立车光机模型图2 机床车削示意图2 立式数控车床有限元分析立式数控车床是一个复杂的机电一体化系统,因篇幅关系,本文只针对立式数控车床加工精度比较敏感的X轴运动部件进行优化设计及有限元分析。Z轴运动部件可参考X轴进行。2.1 机床加工工况设定根据前期三维建模,给定各零部件的材料,最终确定X轴床鞍部件质量为m1=5 3 0 k g,滑枕部件质量为m2=4 0 0 k g,刀架部件质量为m3=3 2 0 k g,快移速度vm a x=1 6 m/m i n,摩擦因数=0.0 4。根据国家标准J B/T 1 1 5 6 22 0 1 3 数控立式卡盘车床和车削中心技术条件5第8条,通过主传动系统最大扭矩试验,用强力车削外圆进行试验。切削抗力的主分力按下式计算。F9 5 5 0(P-P0)r n(1)式中,F是切削抗力的主分力,单位为N;P是切削时电动机的输入功率(指电网输给电动机的功率),单位为kW;P0是机床装有工件时的空运转功率(指电网输给电动机的功率),单位为k W;r是工件的切削半径,单位为m;n是主轴转速,单位为r/m i n。具体试验数据见表1。表1 试验数据序号项目最大扭矩试验参数1试件材料4 5钢2试件直径/mm3 5 03试件长度/mm2 0 04计算直径/mm3 5 05刀具机夹式不重磨车刀6刀具主偏角7 5 7主轴转速/rm i n-12 0 08切削速度/mm i n-10.7 29进给量/mmr-10.3 61 0切削深度/mm61 1切削长度/mm3 01 2计算切削力/N4 7 4 0.5 31 3计算扭矩/Nm8 2 91 4切削功率/k W1 7.31 5电动机输出功率/k W1 81 6电动机空载功率/k W0.71 7切削条件无冷却液1 8工件装夹方式三爪卡盘 综上,根据结果,经过圆整最终取切削力为FZ=4 7 5 0 N。2.2 有限元分析根据上节给定和计算的结果对机床左右床鞍进行有限元分析,X轴在移动时要克服运动部件的滑动阻力和切削力,最终受力情况为:F=m1+m2+m3 g+FZ=5 2 3 0(N)(2)将最终合力等效转移到左右床鞍上,对左右床鞍进行受力分析,首先应用S i m u l a t i o n软件对左右床鞍材料进行给定,根据设计要求,给定材料为灰铸铁HT 3 0 0,从而确定各项分析参数6(见表2)。表2 材料的各项指标材料弹性模量/G P a泊松比切边模量密度/k gm-3HT 3 0 01 5 00.2 74 4.37 4 0 0 同时为简化分析流程,根据左右床鞍移动轨迹将左右床鞍与机床立柱的各结合面按固定安装面进行固定约束,视其为刚性固定连接,因此可以假定左右床鞍导轨面所有节点为全约束,即可近似模拟其实际位移状态,故将左右床鞍导轨面使用6个自由度全部位移予以约束,左右床鞍施加外力载荷并进行边界约束,根据上节计算结果对其受力面进行加力约束7。完成受力约束后再进行网格划分,一般情况下网格划分越小分析结果越准确,但所需分析 设计计算 新技术新工艺 设计与计算4 7 过程及运行时间相对增加,本文设定单元格大小为1 0 mm,单元格公差为0.5 mm,在不影响分析结果的情况下压缩部分螺纹孔并运用标准实体网格对其进行划分,其中左床鞍划分节点8 1 7 6 0 6,划分单元格5 3 3 1 8 3,右床鞍划分节点3 4 7 7 4 7,划分单元格2 2 6 9 2 1。通过上述条件约束及网格划分后,运行S i m u l a t i o n对左右床鞍进行有限元分析8(见图3图8)。图3 左床鞍图4 右床鞍图5 左床鞍应力云图图6 左床鞍位移云图图7 右床鞍应力云图图8 右床鞍位移云图由S i m u l a t i o n运行分析结果(见表3)可知,根据受力情况目前设计的左右床鞍满足原始设计要求,可用于进行生产试制。新技术新工艺 2 0 2 3年 第7期 4 8 新技术新工艺 设计与计算表3 S i m u l a t i o n运行分析结果质量/k g最大应力/Nmm-2最大位移/mm左床鞍4 1 66.0 10.0 1右床鞍4 1 43.5 10.0 0 7 5 设计分析完成后,宝鸡机床集团有限公司对该机型进行了投产试制,试制完成后根据国家标准G B T 1 6 4 6 2.22 0 1 7 数控车床和车削中心检验条件 第2部分:立式机床几何精度检验9和G B T 1 6 4 6 2.42 0 0 7 数控车床与车削中心检验条件 第4部分:线性和回转轴线的定位精度及重复定位精度1 0对其进行了检验,检验结果位置精度中最大定位精度为0.0 2 4 mm,最大重复定位精度为0.0 0 6 mm,最大反向差值为0.0 0 9 5 mm,符合国家标准要求(见图9图1 2)。图9 X1轴位置精度图1 0 X2轴位置精度图1 1 Z1轴位置精度图1 2 Z2轴位置精度3 优化设计在试制总结过程中,设计人员和装配人员在最后的装配和检验环节发现,存在该机床X轴、Z轴反向间隙较大,两轴预紧镶条过长强度不够,Z轴电动机空载负载较大等问题,最终导致两轴定位精度接近国家标准限定值,机床精度储备值较小。为解决上述问题,设计人员对两轴结构进行了设计优化,具体如下。1)为解决Z轴方向床鞍变形问题,对床鞍内部筋板进行了重新布置(见图1 3和图1 4)。2)为解决Z轴方向电动机空载负载较大问题,在Z轴方向增加液压平衡装置,降低Z轴方向运动部件上下运动时重力的影响(见图1 5和图1 6)。3)为解决两轴预紧镶条过长强度不够问题,将X轴和Z轴镶条重新设计,改为两端预紧方式增加镶条厚度和强度,同时根据床鞍工作时的受力情况,更改了镶条受力面(见图1 7和图1 8)。设计计算 新技术新工艺 设计与计算4 9 图1 3 原床鞍内部筋板结构图1 4 改进后床鞍内部筋板结构图1 5 原床鞍装配体结构图1 6 改进后床鞍装配体结构图1 7 原镶条结构图1 8 改进后镶条结构经过优化设计,笔者对优化结果进行了有限元分析,运用上节分析过程控制流程对左右床鞍进行受力约束和网格划分,对比初次设计结果,左右床鞍在最大应力和最大位移上都有了较为明显的减小(见图1 9图2 2)。优化后S i m u l a t i o n运行分析结果见表4。图1 9 左床鞍应力云图 新技术新工艺 2 0 2 3年 第7期 5 0 新技术新工艺 设计与计算图2 0 左床鞍位移云图图2 1 右床鞍应力云图图2 2 右床鞍位移云图表4 优化后S i m u l a t i o n运行分析结果质量/k g最大应力/Nmm-2最大位移/mm左床鞍4 1 01.6 30.0 0 3 3右床鞍4 0 93.0 10.0 0 4 1 综上可知,在左右床鞍质量基本不变的情况下,左床鞍最大应力由优化前的4.1 5 N/mm2降低为1.5 9 N/mm2,最 大 位 移 由0.0 0 9 mm降 低 为0.0 0 3 7 mm;右床鞍最大应力由优化前的2.0 4 N/mm2降 低 为1.5 5 N/mm2,最 大 位 移 由0.0 0 5 1 mm降低为0.0 0 4 8 mm。优化结果显著,之后宝鸡机床集团有限公司对其进行了小批试制,并委托第三方检测机构对其进行了检验和可靠性检测。检测结果显示,机床各项指标均满足国家标准要求,其MT B F值达到了2 2 5 0.8 h。可靠性检测完成后,该公司根据国家标准对其进行了工作精度检验,通过检验结果可知,位置精度中最大定位精度为0.0 1 1 9 mm,相比改进前提升5 0.4%;最大重复定位精度为0.0 0 3 4 mm,相比改进前提升4 3.3%;最大反向差值为0.0 0 9 mm,相比改进前提升6%;符合国家标准要求,机床精度储备值大幅提升(见图2 3图2 6)。图2 3 X1轴位置精度 图2 4 X2轴位置精度 设计计算 新技术新工艺 设计与计算5 1 图2 5 Z1轴位置精度图2 6 Z2轴位置精度4 结语本文通过应用S i m u l a t i o n有限元分析软件对立式数控车床的运动部件进行了有限元受力分析,并通过分析和试制结果对其进行优化设计,最终达到宝鸡机床集团有限公司承担的国家重大专项要求。为今后同类型机床运动部件设计提供了很好的借鉴作用。参考文献1 胡世军,尹纪强,刘昆鹏.数控立式车床立柱的有限元分析及优化设计J.新技术新工艺,2 0 0 9(1 0):5 1-5 2.2 陈捷.数控机床功能部件优化设计选型应用手册M.北京:机械工业出版社,2 0 1 8.3 王乾.基于AN S Y S的机床主轴箱有限元分析J.新技术新工艺,2 0 1 1(1 0):3 0-3 2.4 姚忠福,段晶莹,付长景,等.数控车床立柱有限元分析J.科学技术创新,2 0 2 1(3 3):1 4-1 6.5 J B/T 1 1 5 6 22 0 1 3,数控立式卡盘车床和车削中心技术条件S.6 黄建龙,等.C K 5 1 1 6数控立式车床立柱和底座静刚度分析J.机床与液压,2 0 1 2(1 3):1 4 7-1 5 1.7 刘德时,周俊荣,马毅,等.龙门加工中心横梁静态分析及优化设计J.新技术新工艺,2 0 2 0(1 1):3 1-3 4.8 王哲,尹志宏.高刚度数控车床主轴有限元分析J.新技术新工艺,2 0 1 2(1 1):1 9-2 1.9 G B T 1 6 4 6 2.22 0 1 7,数控车床和车削中心检验条件 第2部分:立式机床几何精度检验S.1 0 G B T 1 6 4 6 2.42 0 0 7,数控车床与车削中心检验条件 第4部分:线性和回转轴线的定位精度及重复定位精度S.*2 0 2 2年陕西省国有资本经营预算科技创新专项资金项目作者简介:王核心(1 9 6 6-),男,工程硕士,副教授,主要从事数控机床和加工技术等方面的研究。收稿日期:2 0 2 2-1 0-1 9责任编辑 郑练