利用ANSVS的數控車床尾座箱體分析及優化論文
引言
數控車床尾座是機床的重要組成部分，起到夾緊定位工件的作用，它的靜動態特性對機床加工精度及穩定性有直接影響。一般采取結構優化的方式來提高尾座的靜態及動態特性，以提升尾座工作性能和穩定性。重型數控車床加工不同零件時，尾座需要來回運動完成夾緊、定位工件的任務，這就要求尾座質量適中，以便加大機構的靈活性。本文以HTC100型數控車床尾座箱體為例，通過UG建立精確的實體模型，利用ANSYSWorkbench軟件對其進行有限元特性分析，根據分析結果進行拓撲優化，為尾座箱體的合理設計提供一種可行性的參考。
1 在ANSYSWorkbench中設置材料屬性、劃分網格
HTC100臥式數控車床尾座由灰鑄鐵HT300鑄造而成，在ANSYS軟件中進行有限元分析之前必須設置材料屬性，HT300的彈性模量為143GPa，泊松比為0.27，密度為7340kg/m3。劃分網格是有限元分析中關鍵環節，本文選用ANSYS12.0Workbench中提供的四面體網格劃分法(Tetrahedrons中的PatchConforming法)對尾座箱體模型進行網格劃分。選該方法最主要的兩點理由：1)網格劃分快速，適用于形狀復雜的幾何體。2)在關鍵區域能適應近似尺寸進行細化。網格劃分后得到的有限元模型如圖2所示，模型的節點數為56793，單元總數為33014。
2 施加邊界條件
對尾座箱體進行靜、動力學分析必須在ANSYSWorkbench中對箱體施加邊界條件，包括箱體受到的力及轉矩，以及確定箱體的支承表面。尾座箱體內部受力主要來自零件自身重力，其中頂尖、套筒、軸、齒輪等主要零件重力通過在UG軟件自身“質量特征”功能獲得。尾座箱體除受到內部零件重力外，還有加工過程中通過頂尖傳遞的切削力及力矩。現以加工長軸零件為例，根據廠家給出的經驗數據，尾座對工件的夾緊力為5.28kN，車床所能提供的最大切削力為60kN，通過計算主切削力Fc=53.4kN，背向力Fp=18.6kN，進給力Ff=20.4kN。受力分析后得到箱體受到頂尖傳來的力及力矩分別為：Fx=560N、Fy=1572350N、Fz=15120N、M=8811N·m，方向為繞Z軸逆時針方向。將這些力及力矩施加到箱體各個表面。尾座箱體整體固定在機床床身上，因此箱體底部接觸表面受到固定約束。
4 有限元分析
4.1 靜力學分析
尾座箱體的靜力學分析是計算在固定不變的載荷作用下，箱體的位移與應力，它不考慮阻尼與慣性的影響。其分析結果對箱體的結構優化有重要參考價值。對尾座箱體進行靜力學分析，箱體的最大位移為1.23×10-4m，最大應力為4.44×107Pa。由計算結果可以看出箱體的最大位移數值較小，能滿足加工精度需求。HT300的極限應力為300MPa，尾座箱體的最大應力遠遠小于材料的極限應力值，箱體剛度滿足要求，因此有進一步進行優化的可能。
4.2 模態分析
機床在加工過程中，受到噪聲與振動相互作用，產生周期性變化的激振力。這種激振力的頻率與結構的固有頻率相同或成整數倍時，容易引起共振，降低機床加工精度及穩定性。由于重型數控車床存在振動、噪聲大等問題，因此很有必要對尾座箱體進行模態分析。在ANSYS中對箱體進行模態分析后得出箱體的前6階模態如表1所示。HTC100型數控車床的主軸設計最高轉速為200r/min，頻率為3.33Hz。數據可以看出作用在尾座的激振力頻率遠遠小于尾座箱體自身前6階頻率。不會發生共振現象，對工件加工精度影響不大。
5 優化
5.1 運用Workbench進行優化
拓撲優化實質上是指在結構受到給定約束情況下，為了使目標量(總體剛度、自振頻率等)穩定而尋求結構材料使用的最佳方案。利用ANSYSWorkbench中“ShapeOptimization”功能對尾座箱體進行拓撲優化。施加邊界條件后，優化目標設置為5%，進行求解運算。
5.2 根據分析結果進行優化設計
由于分析結果中可切除區域分布不規則，在實際加工中必須考慮應力分布及工藝的復雜程度。因此不能把可切除區域全部切除。在SolidWorks中以規則幾何形狀大致切除可切除區域，質量減少1250.4kg，對優化方案進行有限元分析，其位移、應力可以看出優化后箱體的最大位移是1.2×10-4m，最大應力是4.65×107Pa。材料的極限應力仍然遠遠大于箱體的局部最大應力，位移數值也相對較小，對加工精度影響不大。
6 結論
1)利用有限元軟件對產品進行分析可以節省廠家制造樣機、實驗測試的成本。在軟件環境里運算得到產品的主要性能，為產品設計提供優化的結構及尺寸，這種新型的優化設計將會在未來機械設計加工過程中逐漸成為主流。
2)利用Workbench對尾座箱體進行優化，優化設計后的尾座箱體最大位移、最大應力、低階頻率基本保持不變，在滿足設計要求的基礎上，質量減少了5%，使得尾座運動更加靈活，為產品設計更加優秀提供了一個可行的方案。
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