机床重要部件的有限元分析及优化设计

    机床是加工制造的最基本的设备，它是由多个零部件组成的复杂组合结构，其机构的设计对机床的加工性能影响很大。传统的设计需要在原型设计的基础上经过长期的实践，不断改进，逐渐完善，最终定型为一个成熟的产品。现代的设计中，可以充分利用各种分析软件，在设计阶段就能够及时发现和解决原设计中存在的问题，对实现并行设计，提高质量和生产效率起到了非常重要的作用。

    机床的各零部件中，床身作为支承和定位的主要零件对机床整体刚性和精度起到关键性作用。本文选取了某厂CK6150型车床作为研究对象，综合分析了该机床在受到综合应力的情况下，床身的受力、变形和振动情况，并对设计中的缺陷进行优化设计。

1 机床的三维造型

    此次设计采用对机床各个零部件进行设计造型并进行整机装配。

2 受力及约束分析

    床身在加工中受到的应力主要有切削力和工艺系统的重力。

    为了模拟机床在极限工作条件下的变形和振动情况，此次分析中模拟了加工φ500*10000mm的45钢棒料毛坯，使用45°外圆车刀，背吃刀量ap=5mm，进给量f=0.5mm，切削速度vc=500r/mm，切削点位置为毛坯中段。

    1)由切削45钢主切削力公式Fc≈2ap·f(kN)得：

Fc≈2ap·f=2*5*0.5=5 kN

    由吃刀抗力公式Fp≈(0.2～0.5)Fc，估算出：

Fp≈4kN

    由进给抗力公式Ff≈(0.1～0.4)Fc，估算出：

Ff≈3.5kN

图1 床身工作中的受力情况

    2)利用中的重力分析功能，分别得出主轴箱系统、床鞍和刀架系统、尾座顶尖系统和工件的重力及质心位置，见表1。

表1 床身在工作中受力大小作用点、及方向

  3 材料分析

    本设计床身材料选用HT250。其材料特性：

    1)Isotropic：各向同性；

    2)杨氏模量Young's modulus：120吉帕(GP)；

    3)泊松比Poisson's ratio：0.25；

    4)材料密度Density：7300千克，立方米(kg/m3)。

4 模态及静力分析

    将造型的三维模型导入Ansys，选定模型材料类型，设定约束面及受力，为之后的分析做好准备。