扳手體多工序車削機(jī)床的虛擬設(shè)計?

金 燕，王海平

（1.常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程技術(shù)系，江蘇 常州 213164；2.中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長沙 410083；3.江蘇理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213001）

0 引言

傳統(tǒng)的專用機(jī)床設(shè)計往往待樣機(jī)制造出來后，再通過試驗確定相關(guān)參數(shù)，不僅周期長，而且隨意性大，既延長了機(jī)床的研發(fā)周期，又增加了研制費用。隨著三維CAD/CAE/CAM技術(shù)的應(yīng)用與普及，三維設(shè)計已經(jīng)逐步取代了傳統(tǒng)的二維機(jī)械設(shè)計。本文將系統(tǒng)地介紹應(yīng)用SolidWorks軟件［1－2］設(shè)計扳手體多工序車削機(jī)床的過程和方法。

1 扳手體多工序車削機(jī)床三維造型和裝配

1.1 設(shè)計要求

本機(jī)床用于扳手體頭部加工，扳手體零件材料為45鋼，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。加工工序為車削，主要加工內(nèi)容有Φ26.5±0.5外圓、Φ14外圓、Φ26.5和Φ14間的斜臺階面以及孔口1×45°和2×30°倒角及孔口面。

1.2 物理參數(shù)設(shè)計

根據(jù)工件的加工要求，選擇工件大頭六角內(nèi)孔和Φ12外圓定位，同時Φ12端面夾緊。由于工件屬于細(xì)長軸類型，為減小工件的變形，選擇立式加工。

查閱相關(guān)資料［3］，根據(jù)切削要求，同時考慮到多刀加工，為提高機(jī)床可靠性及刀具耐用度，確定本機(jī)床切削三要素如下：進(jìn)給量f＝0.2mm/r，切削速度v＝50 m/min，切削深度ap＝2.5mm。

1.2.1 外圓表面切削力和切削功率計算

圓周切削力Fc采用如下指數(shù)公式計算：

圖1 扳手體結(jié)構(gòu)示意圖

切削功率為：

1.2.2 臺階錐面切削力和切削功率計算

刮削臺階錐面時，圓周切削力計算公式為：

其中：SZ為每齒進(jìn)給量；B為切削寬度；σb為材料強(qiáng)度極限。

功率計算公式為：

加工工件時，機(jī)床轉(zhuǎn)速n＝120r/min，每齒進(jìn)給量SZ＝0.05mm/齒，切削寬度B＝7.6mm。代入式（3）、式（4）計算得，F(xiàn)X＝1 617N，PX＝0.2kW。

車削端面、倒角和車削上方臺階的切削力和切削功率在此不再計算，總切削力通過主切削力的2.5倍估算，總功率通過圓柱面和臺階面切削功率之和的1.5倍估計得出。因此，總功率P為1.5kW，總切削力為4 023.45N。

1.3 機(jī)床三維造型

根據(jù)分析計算，確定機(jī)床主要零件的尺寸并進(jìn)行三維建模，如圖2所示。

1.4 整體裝配

各零部件完成造型之后，利用SolidWorks軟件提供的測量質(zhì)量特性進(jìn)行質(zhì)量、面積、體積的測量，并完成慣性力矩的計算。根據(jù)機(jī)床的實際裝配關(guān)系將已經(jīng)造型好的各零部件進(jìn)行裝配，裝配完成之后，對整體進(jìn)行動態(tài)的間隙檢測和干涉檢查，從而驗證整個設(shè)計的正確性［4－5］。

整體裝配后的機(jī)床三維模型如圖3所示 。經(jīng)過以上檢驗，證實機(jī)構(gòu)設(shè)計完全正確。

本機(jī)床主軸支承采用滾動軸承結(jié)構(gòu)，前軸承為滾錐軸承背對背安裝，后支承采用圓柱滾子軸承，具有很好的徑向剛度。工件由液壓油缸進(jìn)行夾緊，在夾緊機(jī)構(gòu)中設(shè)置一彈簧機(jī)構(gòu)以保證夾緊力的恒定。左、右刀架的進(jìn)給裝置通過液壓調(diào)速閥實現(xiàn)進(jìn)給速度的調(diào)節(jié)。刀架的進(jìn)給軸采用滾動直線導(dǎo)軌支承，進(jìn)給靈敏、可靠，并且采用了雙導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，剛性好，完全滿足了加工要求。

圖2 機(jī)床主要零部件三維模型

2 應(yīng)力計算

利用SolidWorks為用戶提供的COSMOSXpress軟件可以對整個設(shè)計進(jìn)行應(yīng)力分析。在計算機(jī)上進(jìn)行有限元分析，取代了昂貴并費時的實地測試，大大降低了產(chǎn)品成本，縮短了開發(fā)時間［6］。通過理論計算確定機(jī)床受力，選擇材料，添加載荷和約束對所關(guān)注的零件進(jìn)行分析。圖4、圖5是本次設(shè)計刀架的應(yīng)力和位移的分析結(jié)果。從分析結(jié)果看，原設(shè)計符合加工要求，刀架具有足夠的強(qiáng)度和剛度。

圖3 機(jī)床三維模型

圖4 刀架的應(yīng)力分析云圖

圖5 刀架的位移分析云圖

3 動畫仿真

通過SolidWorks為用戶提供的COSMOS/motion軟件可以在計算機(jī)構(gòu)成的虛擬環(huán)境中進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品的裝配，并通過計算機(jī)動畫技術(shù)對其進(jìn)行運動模擬。在機(jī)械產(chǎn)品的虛擬裝配設(shè)計與運動仿真過程中，可以及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中的干涉和運動機(jī)構(gòu)的碰撞等問題，具有經(jīng)濟(jì)性、安全性和可視性等特點［7］。

在實際操作過程中，我們還可以根據(jù)機(jī)床的實際運動情況模擬實際運動，對相關(guān)運動副加以約束，實現(xiàn)機(jī)構(gòu)真實的運動仿真，進(jìn)行動態(tài)干涉檢查。同時輸出速度、加速度、位移、力矩等曲線圖以及機(jī)構(gòu)運動的影視文件。

4 結(jié)論

本文從參數(shù)計算、三維設(shè)計、應(yīng)力分析、動態(tài)仿真4個方面對多工序車削機(jī)床的設(shè)計過程進(jìn)行了介紹，用SolidWorks軟件建立模型，然后運用相關(guān)軟件進(jìn)行應(yīng)力分析，進(jìn)一步調(diào)整尺寸，優(yōu)化設(shè)計，最終得到最優(yōu)的機(jī)床模型。設(shè)計過程直觀、形象、真實，大大提高了設(shè)計效率，同時避免了試制過程中大量的設(shè)計更改，保證了設(shè)計質(zhì)量，對此類產(chǎn)品的設(shè)計起到了拋磚引玉的作用。

［1］王謙.基于SolidWorks軟件的吊鉤分析［J］.煤礦機(jī)械，2011，32（10）：130－131.

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［5］張坤，龐運海.SolidWorks在轉(zhuǎn)爐爐帽設(shè)計中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備，2011（4）：32－33.

［6］宋占明，金燕.SolidWorks在螺桿空壓機(jī)主機(jī)設(shè)計中的應(yīng)用［J］.壓縮機(jī)技術(shù)，2007（1）：21－23.

［7］趙永軍，王得勝.SolidWorks在裝載機(jī)工作裝置設(shè)計中的應(yīng)用［J］.工程機(jī)械，2010，41（2）：46－48.