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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
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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