立式数控车床运动部件有限元分析及优化设计.pdf
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1、 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
2、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
3、 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
4、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
5、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
6、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
7、 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
8、 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
9、 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
10、-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
11、 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
12、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
13、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
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