基于ANSYS數(shù)控車削加工機(jī)床改造的教學(xué)研究

范紅偉，艾青牧，王雨虹，李家新，黃仁華

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150027）

1 前言

新工科背景下，對人才工程實踐能力提出了新需求指向，這要求工程技術(shù)人員必然要有豐富的實踐經(jīng)驗，助力我國經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型，尤其對于工科高校而言，學(xué)生的工程實踐能力培養(yǎng)必須要得到重視，培養(yǎng)一批敢于實踐、勤于動手的新工科人才，才能更好支持創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展、“中國制造2025”等一系列國家級舉措。

哈工大工程創(chuàng)新實踐中心（以下簡稱“中心”）創(chuàng)立于2017年6月，以工程訓(xùn)練實踐課程為基礎(chǔ)，強(qiáng)化學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐能力、拓展高端裝備智能制造人才培養(yǎng)功能為原則，中心對學(xué)生培養(yǎng)的新要求是：厚基礎(chǔ)、強(qiáng)實踐。

數(shù)控車削作為工科專業(yè)的一門基礎(chǔ)工程訓(xùn)練實訓(xùn)課，主要培養(yǎng)學(xué)生的實際操作能力，提升實踐能力，但目前數(shù)控車削實踐教學(xué)中還存在著一定的問題需要解決，如：加工后產(chǎn)品自由掉落導(dǎo)致易發(fā)生磕碰現(xiàn)象。

國內(nèi)外研究學(xué)者對數(shù)控車削實踐教學(xué)進(jìn)行了大量研究工作，如孫立峰針對數(shù)控車工實訓(xùn)教學(xué)進(jìn)行了研究和探索，指出數(shù)控車削實踐教學(xué)中的一些問題：教學(xué)模式單一，硬件設(shè)備和教師能力不足，缺乏明確的教學(xué)方向，并提出了一定的改革對策。盧燕基于翻轉(zhuǎn)課堂的數(shù)車實訓(xùn)課堂教學(xué)模式改革進(jìn)行了探索，指出數(shù)控車削實訓(xùn)中出現(xiàn)撞刀現(xiàn)象，提出線上與線下混合教學(xué)模式以避免數(shù)車實訓(xùn)教學(xué)中的撞刀現(xiàn)象，更好地維護(hù)數(shù)控車床。

雖然專家學(xué)者對數(shù)控車削實訓(xùn)教學(xué)改革進(jìn)行了大量研究，但是針對實訓(xùn)教學(xué)中產(chǎn)品自由掉落導(dǎo)致易發(fā)生磕碰現(xiàn)象的研究尚且還很少，為解決此問題，本文提出改進(jìn)方案并采用有限元方法對改進(jìn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)分析。

2 改造結(jié)構(gòu)工作原理

數(shù)控車削實訓(xùn)教學(xué)設(shè)備改進(jìn)結(jié)構(gòu)形似箱體，故稱其為箱式接料裝置，該裝置安裝于數(shù)控機(jī)床內(nèi)部左側(cè)，由接料盤、連接桿、萬向節(jié)及支撐底座組成，如圖1所示。支撐底座緊固在數(shù)控機(jī)床內(nèi)部左側(cè)，連接桿通過萬向節(jié)連接在支撐座上并可沿萬向節(jié)上下旋轉(zhuǎn)，連接桿根據(jù)實訓(xùn)產(chǎn)品的長短可進(jìn)行伸縮，實訓(xùn)產(chǎn)品加工完成后直接掉落在接料盤中。

圖1 數(shù)控車削實訓(xùn)教學(xué)設(shè)備改進(jìn)結(jié)構(gòu)

3 有限元分析

3.1 建立三維模型

該箱式接料裝置主要用來裝載直徑D=φ30～40mm的圓柱形實訓(xùn)產(chǎn)品，箱式接料裝置水平最大長度L=100mm，豎直最大長度L=70mm，采用UG三維建模軟件繪制箱式接料裝置的模型，再導(dǎo)入ANSYS建立完整的數(shù)值模型。如圖2所示。

圖2 箱式接料裝置三維模型

3.2 建立有限元模型

在ANSYS Workbench中的Static Structural靜力分析模塊中導(dǎo)入模型，設(shè)置材料為45號鋼，材料參數(shù)如表1所示。本文中單元格劃分采用正四面體方法進(jìn)行劃分。在保證計算應(yīng)力進(jìn)度的同時保證工作效率，將單元格尺寸設(shè)置為5mm，網(wǎng)格劃分完成后共計14962個單元，30341個節(jié)點，如圖3（a）所示。

表1 有限元參數(shù)設(shè)置

3.3 箱式接料裝置靜力學(xué)分析

按照實踐教學(xué)中的實際工況要求，對箱式接料裝置的底座施加固定約束，在接料盤部分施加Z軸負(fù)方向大小為500N的力，受力圖如圖3（b）所示，在對箱式接料裝置的總變形和總應(yīng)力進(jìn)行求解之后，得到計算結(jié)果，最大總變形為0.94206mm，如圖3（c）所示，最大應(yīng)力為161680MPa，如圖3（d）所示。

圖3 靜力學(xué)分析

3.4 箱式接料裝置疲勞分析

為了掌握箱式接料裝置的使用時間，提高其工作的可靠性和安全，對其進(jìn)行疲勞分析。零部件材料在循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變作用下，在部分位置發(fā)生永久性累積損傷并擴(kuò)展，經(jīng)循環(huán)次數(shù)發(fā)生裂紋或突然發(fā)生全部斷裂的過程，最后斷裂的現(xiàn)象叫做疲勞破壞。疲勞問題是目前制造領(lǐng)域面臨的一個非常普遍而頭疼的問題。而箱式接料裝置也是在不停的做往復(fù)運動，因此有必要對箱式接料裝置進(jìn)行疲勞分析。

（1）疲勞求解。疲勞分析是在前期靜力學(xué)分析基礎(chǔ)上進(jìn)行，對箱式接料裝置做疲勞分析，在靜力學(xué)分析模塊中右鍵單擊solution，插入疲勞分析，在類型中選擇時間，疲勞強(qiáng)度因子設(shè)置為1，并選擇平均應(yīng)力修整理論進(jìn)行計算，如圖所示。在疲勞分析的工具中插入疲勞壽命和疲勞安全系數(shù)，并設(shè)置安全系數(shù)下的設(shè)計壽命為1.0×106cycles，完成之后提交計算機(jī)求解。（2）疲勞結(jié)果。選擇疲勞分析計算結(jié)果，單擊Life，接料裝置的疲勞壽命值，如圖4a所示，最小壽命為55931次，如果每天工作20次，每年工作365天，則經(jīng)計算該接料裝置的最小壽命是7年。對于安全系數(shù)圖如圖4b所示，從安全系數(shù)圖中可以得到接料裝置的最大安全系數(shù)為15。經(jīng)過疲勞分析可知優(yōu)化后的接料裝置是滿足設(shè)計需要的。

3.5 箱式接料裝置模態(tài)分析

為優(yōu)化設(shè)計結(jié)構(gòu)尺寸和改變設(shè)計質(zhì)量，對該結(jié)構(gòu)做了模態(tài)分析。模態(tài)分析實質(zhì)是將模型中物理坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為模態(tài)坐標(biāo)，采用有限元矩陣方程進(jìn)行求解，可得到模型的固有頻率和振型圖。靜力學(xué)分析完成后，在ANSYS Workbench軟件中創(chuàng)建模態(tài)分析模塊。6階振型圖和數(shù)據(jù)如圖4所示，其固有頻率和偏移量如表2所示。

表2 模態(tài)分析

圖4 疲勞分析

利用三維建模方法得到箱式接料裝置仿真分析模型，通過有限元技術(shù)對其進(jìn)行了分析，驗證了該設(shè)計的可行性及合理性。為機(jī)床的改造提供了參考依據(jù)。

圖5 陣型云圖

4 預(yù)期效果

通過本次改造達(dá)到如下效果。（1）為數(shù)控車實訓(xùn)教學(xué)提供了一個低成本、優(yōu)效果的改進(jìn)思路。（2）完成I5數(shù)控車床箱式接料裝置的搭建工作，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)匹配。（3）采用改進(jìn)后的數(shù)控車床進(jìn)行教學(xué)，將大大減少教學(xué)事故，同時對學(xué)生今后的創(chuàng)新思維有很大的啟發(fā)。