双主轴车削中心结构设计及有限元分析优化

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3.0 赵德峰 2024-11-19 6 4 1.48MB 70 页 15积分

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摘要

双主轴车削中心是一种高效加工和复合加工的新颖数控机床。这种机床具有

两个主轴，每个主轴都能与刀架进行 2轴联动，形成两套独立的数控车削单元。

上海理工大学与浙江武义机床制造有限公司共同开发具有国际先进水平的

“WXTW-36 双主轴车削中心”，充分发挥了大学的技术引领和企业成为自主创新

主体的作用。

本文对机床床身、底座、主轴箱、副主轴箱和床鞍进行设计，包括电机以及

进给丝杠的计算和选用。而后利用三维软件 SolidWorks 对机床进行实体建模、虚

拟装配和干涉检查，从而建立完整的虚拟样机模型。

分析了影响切削力的因素，模拟机床切削状态，对切削力进行计算。在此基

础上，利用有限元分析软件 ANSYS Workbench 对机床关键部件以及整机模型的有

限元网格划分，并添加约束和载荷，进行静力分析。可以得出由于床身、主轴及

主轴箱的变形，造成了卡盘位移较大。

本文还对整个机床进行了模态分析，计算出机床的前六阶固有频率，可以看

出床身不易与常用外界激励产生共振现象。

由于卡盘位移较大，影响机床加工精度，所以对机床结构进行了优化。并对

优化后的模型进行了有限元分析，由结果可以看出机床卡盘的位移有所减小，并

且机床的前六阶固有频率都有所提高，不会与常用外界激励形成共振。

关键词：双主轴车削中心机床设计有限元分析优化

ABSTRACT

Double-spindle turning center is the novel NC machine tool which integrates

efficient processing and composite processing. There are two main spindles in the

machine tool, each of which can do two-axial motion with tool post, forming two

independent NC turning units.

University of Shanghai for Science and Technology and Wuyi Machine Tool

Manufacture Company of Zhejiang province develop the ‘WXTW-36 Double-spindle

turning center” together with international advanced level, making full use of the

technical lead of university and the independent innovation of corporation.

This thesis designs the machine tool body, base, main-spindle box, side spindle box

and saddle, besides the calculation and choice of the motor and feed screw. Then 3D

software Solidworks is used for the solid modeling, virtual assembling, and

interference inspection of machine tool to establish the integrated virtual prototype

model.

The factors that influence the cutting force are analyzed in the paper. The cutting

status is simulated and the cutting force is calculated. Based on this, utilizing finite

element analyzes software ANSYS Workbench to do finite element mesh for the key

components of the machine tool as well as the overall machine model, and add

constraint and load to carry on the static analysis. It could be concluded that the

deformation of the body, main- spindle and main-spindle box on that machine tool is

responsible for over displacement of the chuck.

The model analysis of the whole machine tool is also included in this paper. The

anterior six order natural frequencies of the machine tool from the model analysis can

be utilized as a criterion to determine if there are any resonances of the machine tool

body by the external-excitation.

The over displacement of the chuck will compromise the processing accuracy. So

the structure of the machine tool is optimized and the optimized modal is examined by

the finite element analysis that the displacement of the chuck decreases. The anterior

six order natural frequencies of the machine tool is raised that resonance by exterior

force is avoided.

Key Word: Double-spindle Turning Center, Machine Tool Design,

Finite Element Analysis, Optimize

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论...................................................................................................................1

§1.1 机床发展现状......................................................................................................1

§1.2 双主轴车削中心介绍..........................................................................................3

§1.3 课题的来源和内容...........................................................................................4

§1.3.1 课题的来源...................................................................................................4

§1.3.2 课题的内容...................................................................................................5

第二章车削中心主要部件结构设计.............................................................................6

§2.1 模块化斜床身的设计..........................................................................................6

§2.1.1 模块化组合床身的介绍...............................................................................6

§2.1.2 高刚性的模块化床身设计...........................................................................6

§2.1.3 铸造导轨面的加工.......................................................................................7

§2.2 主轴箱设计..........................................................................................................8

§2.2.1 电机的选择...................................................................................................8

§2.2.2 主传动设计.................................................................................................11

§2.3 副主轴箱设计与安装........................................................................................13

§2.3.1 副主轴箱的设计.........................................................................................13

§2.3.2 副主轴箱的安装.........................................................................................15

§2.4 床鞍及进给系统设计........................................................................................15

§2.4.1 丝杠驱动力设计计算.................................................................................15

§2.4.2 滚珠丝杠的选用.........................................................................................16

§2.4.3 丝杠支撑轴承.............................................................................................17

§2.5 本章小结............................................................................................................18

第三章虚拟三维建模设计...........................................................................................19

§3.1 虚拟制造技术介绍............................................................................................19

§3.1.1 虚拟制造概述.............................................................................................19

§3.1.2 本课题应用的虚拟制造方法...................................................................20

§3.2 SolidWorks 软件简介 ........................................................................................ 20

§3.3 虚拟机床三维建模............................................................................................22

§3.3.1 虚拟机床建模方法.....................................................................................23

§3.3.2 建立机床虚拟装配模型.............................................................................25

§3.3.3 装配模型的静态干涉检查.........................................................................27

§3.3.4 虚拟装配干涉检验结果总结.....................................................................27

§3.4 本章小结............................................................................................................28

第四章车削中心有限元分析.......................................................................................29

§4.1 有限元理论的基础知识....................................................................................29

§4.1.1 有限元理论的基础知识.............................................................................29

§4.1.2 弹性力学的基本方程.................................................................................30

§4.1.3 有限元分析的基本步骤.............................................................................33

§4.2 有限元分析软件的介绍....................................................................................35

§4.3 机床的有限元分析............................................................................................36

§4.3.1 机床模型的简化.........................................................................................36

§4.3.2 机床模型的导入.........................................................................................36

§4.4 有限元网格的划分............................................................................................38

§4.5 切削力................................................................................................................39

§4.5.1 切削力的概念.............................................................................................39

§4.5.2 影响切削力的因素.....................................................................................40

§4.5.3 切削力的计算.............................................................................................40

§4.6 施加约束和载荷................................................................................................41

§4.6.1 施加约束.....................................................................................................41

§4.6.2 建立参考坐标系.........................................................................................41

§4.6.3 施加载荷.....................................................................................................42

§4.7 有限元求解及结果分析....................................................................................44

§4.8 本章小结............................................................................................................48

第五章车削中心的模态分析.......................................................................................49

§5.1 模态分析理论....................................................................................................49

§5.2 模态分析结果....................................................................................................52

§5.3 本章小结............................................................................................................54

第六章机床结构的优化...............................................................................................55

§6.1 优化设计介绍....................................................................................................55

§6.2 优化措施............................................................................................................55

§6.3 优化后的有限元分析结果................................................................................56

§6.4 优化后的模态分析............................................................................................59

§6.5 本章小结............................................................................................................60

第七章结论与展望.......................................................................................................61

§7.1 本文的主要研究内容........................................................................................61

§7.2 进一步的研究工作............................................................................................62

参考文献 ............................................................ 63

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 66

致谢 ............................................................... 67

第一章绪论

§1.1 机床发展现状

社会生产力发展到今天，一个国家装备制造业的发展水平，成为该国科技水

平、工业水平的综合体现，成为国家经济实力和竞争力的集中代表。根据国家“十

一五”规划，以自主创新带动先进装备制造业的发展，已作为“十一五”时期的

战略重点。

先进数控机床装备是制造业技术基础和发展方向之一，没有先进制造业就不

可能有国家的真正繁荣与强大。国与国之间的竞争主要是制造业的竞争，一个没

有制造能力的民族是没有希望的民族。世界各国，尤其是发达国家的国民经济中，

制造业占据十分重要的位置，均为各国国民经济的支柱产业。

数控车床与普通车床的加工对象、结构及工艺有着很大的相似之处，但由于

数控系统的存在，也有着很大的区别。

与普通车床相比，数控车床具有以下特点：

(1) 主轴转速高，工件装卡安全可靠

数控车床大都采用了液压卡盘，夹紧力调整方便可靠，同时也降低了操作工

人的劳动强度。

(2) 可自动换刀

数控车床都采用了自动回转刀架，在加工过程中可自动换刀，连续完成多道

工序的加工。

(3) 主、进给传动分离

数控车床的主传动与进给传动采用了各自独立的伺服电机，使传动链变得简

单、可靠，同时，各电机既可单独运动，也可实现多轴联动[1]。

(4) 精密化

由于数控机床基础大件结构特性和热稳定性的提高以及数控系统可靠性的提

高，连同采用各种补偿技术和辅助措施，使得数控机床的加工精度也有提高。

(5) 柔性化

数控机床对满足加工对象变换有很强的适应能力，高度的灵活性和多品种生

产的快速适应性。采用柔性自动化设备或系统是提高加工精度和效率、缩短生产

和供货周期、并能对市场需求做出快速反应和提高竞争能力的有效手段。

数控机床是国家支柱产业及国防工业的必需工艺装备。美国的 CINCINNATI、

德国的 DMG、日本的山崎、牧野等著名的数控机床制造商都致力于为本国的工业

双主轴车削中心结构设计及有限元分析优化

提供装备，在上汽集团的通用、大众等制造工厂里，都能看到上述这些企业所提

供的数控化专机、数控机床，而这些设备国内的机床厂目前尚不能提供。值得一

提的是，在国防、航天航空、造船等领域中，关键的加工设备，如大型精密五面

体加工中心、大型数控落地镗铣床、多轴联动加工中心、车铣复合中心以及激光

加工机床等，目前我国大都依赖进口，故加速发展国产数控机床，已到了刻不容

缓的地步[2]。

数控机床性能向高精度、高速度、高柔性化方向发展，具体说来表现为以下

几个方面：

(1) 高速、高效、高精度、高可靠性。机床向高速化方向发展，可充分发挥现

代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高

零件的表面加工质量和精度；要提高加工效率，首先必须提高切削和进给速度，

从而缩短加工时间；要确保加工质量，必须提高机床部件运动轨迹的精度，对数

控系统的可靠性而言，一般要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上，它是高

速、高效、高精度的基本保证，但也不是可靠性越高越好，而是适度可靠，因为

是商品，受性能价格比的约束。

(2) 模块化、智能化、柔性化和集成化。为了适应数控机床多品种、小批量的

特点，机床结构模块化，数控功能专门化，机床性价比显著提高并加快优化。个

性化是近几年来特别明显的发展趋势；智能化体现在加工效率、加工质量、驱动

性能、编程与操作、监控、诊断与维修等；数控机床向柔性化和集成化发展表现

为从点、线向面、体的方向发展。

(3) 开放性。为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、小批量、柔性

化及数控迅速发展的要求，最重要的发展趋势是体系结构的开放性，设计生产开

放式的数控系统，例如美国、欧盟及日本发展开放式数控的计划等[3]。

与发达国家相比，我国的装备制造能力和技术水平不高，创新能力不足，市

场竞争实力不强。经济建设和高技术产业所需的许多先进装备仍依赖进口。据公

布的数据：“十五”期间，我国连续三年保持世界第一机床消费大国和第一进口大

国的地位，2004 年我国生产金属加工机床产值 40.8 亿美元，进口 59.2 亿美元，出

口5.4 亿美元，中国金属加工机床市场消费额为 94.6 亿美元，占当年世界的 21%。

就是说，我国近年来新使用的金属加工机床一半以上都是进口的、且进口的都是

高档机床；2004 年，我国进口了加工中心 7600 台，我们自己生产的不超过 2000

台。

实现我国国民经济的现代化，不能靠从国外买来一个现代化，长期处于国际

产业链的低端，更不能在关键技术和关键设备上长期受制于人，失去经济发展的

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摘要：

摘要双主轴车削中心是一种高效加工和复合加工的新颖数控机床。这种机床具有两个主轴，每个主轴都能与刀架进行2轴联动，形成两套独立的数控车削单元。上海理工大学与浙江武义机床制造有限公司共同开发具有国际先进水平的“WXTW-36双主轴车削中心”，充分发挥了大学的技术引领和企业成为自主创新主体的作用。本文对机床床身、底座、主轴箱、副主轴箱和床鞍进行设计，包括电机以及进给丝杠的计算和选用。而后利用三维软件SolidWorks对机床进行实体建模、虚拟装配和干涉检查，从而建立完整的虚拟样机模型。分析了影响切削力的因素，模拟机床切削状态，对切削力进行计算。在此基础上，利用有限元分析软件ANSYSWorkbenc...

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