某型重型数控机床滑枕设计及温度场仿真分析.doc

1、 北京信息科技大学 毕业设计 （论文） 题 目 ： 某 型 重型数控机床滑枕设计及温度场仿真分析 学 院： 机电工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 周 鹏 班级 /学号 机械 1006/2010010173 指导老师 /督导老师： 孙江宏 起止时间： 2014 年 2 月 24 日 至 2014 年 6 月 8 日 I 摘 要 在 汽车 、 发电设备 、矿山、航空航天、 能源 、 冶金 、国防等 与机械 行业 有关 的加工 行业 方面 ，重 型数控落地镗铣 机 床作为工业生产制造的最基础也是最重要的设备一直 扮演着不可替代的角色。大型数控落地镗铣 机 床的主轴在滑枕内 进行

2、 移动， 伸出最大长度为 1200mm， 工作过程中滑枕从主轴箱中伸出的长度在 1200mm。 本文对 TH6920大型数控落地镗铣床的主轴滑枕进行了自主设计，同时建立了有限元模型，通过理论计算结合有限元仿真分析的方法， 分析研究主轴滑枕以及整机床的温度场变化，同时对其热 变形进行简略分析 ,用于验证设计中所存在的错误和缺陷。 本文首先研究 滑枕设计包括初步设计滑枕的结构以及校核。 然后 在确定好 滑枕 与主轴的模型 参数后，根据弹塑性力学、材料力学以及有限元分析的基本理论，利用 soldworks软件建立其三维模型，接着 进行 温度场仿真分析。在分析计算滑枕系统内部热源、边界条件的基础上，运

3、用有限元软件 ANSYS建立滑枕系统的有限元计算模型。运用有限元方法计算出系统的稳态温度场分布以及热平衡时间，为 进一步计算热变形奠定了基础。在确定约束条件和热 载荷的基础上，简单 分析了系统的热变形。 关键词 ： TK6920； 数 控 落地 镗铣床；滑枕设计；三维建模； 温度场； 仿真分析 ； II Abstract In the automotive, power generation equipment, mining, aerospace, energy, metallurgy, national defense and other machinery industry relate

4、d processing industries, heavy CNC floor-type boring and milling machine as the most basic and most important industrial manufacturing equipment has played an irreplaceable role. Large CNC floor-type boring and milling machine tool spindle in mobile within the slippery pillow, out of a maximum lengt

5、h of 1200 mm, work in the process of the ram out of the spindle box in 1200 mm in length. In this paper, the TH6920 large CNC floor-type boring and milling machine spindle ram to carry on the independent design, the finite element model was set up at the same time, through the theoretical calculatio

6、n in combination with the method of finite element simulation analysis, analysis and study the spindle ram and the temperature field of whole machine, a brief analysis is made to the thermal deformation at the same time, is used to validate the existence of errors in the design and defects. This pap

7、er studies the slippery pillow design including preliminary design structure of the ram, and check. Then when determining the model parameter of ram and spindle, based on the elastic-plastic mechanics, material mechanics and the basic theory of finite element analysis, its three-dimensional model is

8、 established by using soldworks software, then the simulation analysis on temperature field. Analysis and calculation in the slippery pillow system, on the basis of internal heat source and boundary conditions, using the finite element software ANSYS to establish the finite element calculation model

9、 of ram system. Using the finite element method to calculate the steady temperature field distribution of the system and the thermal equilibrium time, laid the foundation for calculating thermal deformation. In determining the constraint conditions and thermal load, on the basis of simple analysis o

10、f the thermal deformation of the system. Keywords: TK6920； CNC boring and milling machine； the slippery pillow design； 3 d modeling； Temperature field; simulation analysis； III 目录 摘 要 . I Abstract . II 第一章 绪论 . 1 1.1 课题来源 . 1 1.2 课题背景 . 1 1.3 研究意义 . 1 1.4 国内外研究现状分析和成果 . 2 1.5 研究内容与方案 . 4 第二章 滑枕设计及三维

11、建模 . 6 2.1 TK6920 重型落地镗铣机床简介 . 6 2.2 三维模型建立 . 7 2.3 滑枕设计 . 7 2.3.1 滑枕躯体设计 . 7 2.3.3 铣轴设计 . 10 2.3.4 主轴轴承选择分析 . 10 2.3.5 滚珠丝杠副选择 . 12 第三章 滑枕及整机系统温度场与热变形分析 . 13 3.1 滑枕系统有限元模型的建立 . 13 3.1.1 单元类型与选择 . 13 3.1.2 材料的属性 . 13 3.1.3 网格划分 . 14 3.2 参数选择和计算 . 14 3.2.1 滑枕系统的热源 . 14 3.2.2 轴承发热量的计算 . 14 3.2.3 对流热换系

12、数 . 15 3.3 滑枕系统温度场分析 . 16 3.3.1 有限元分析及其结果 . 16 3.4 整机温度场分析 . 17 结束语 . 19 参考文献 . 20 某型重型数控机床滑枕设计及温度场仿真分析 1 第一章 绪论 1.1 课题来源 “ TK6920型重型数控机床滑枕设计及 温度场仿真分析 ” 课题是国家 “ 高档数控机床与基础制造装备 ” 科技重大专项重型数控机床关键共性技术创新能力平台课题的子项目。以齐齐哈尔第二机床厂生产的 TK6920重型数控镗铣床为研究对象，运用有限元思想，借助一系列的软件对机床的滑枕以及温度场仿真分析从而达到提高机床加工精度的目的。 1.2 课题背景 随着

13、现代工业科学技术的发展和工艺水平的提高，要求机床具有能够进行高效率、 高精度和低成本的加工性能。事实证明，机床的加工性能又与其结构的动态、稳 态特性密切相关，通过改善机床的动态态特性，可以提高机床的抗振性能、 加工精度和效率、降低机床的机械噪声，改善稳态特性提高机床的使用寿命和可靠性 。因此，为了 满足机床越来越高的加工性能的要求，机床就必须具备相应良好的结构 特性。随着人们认识问题和解决问题能力的不断提高，机床整机静态、动态特性的分析和研究己成为今天机床制造行业中新产品研制的重要环节。 数控机床行业是装备制造业的基础产业，它不仅是 最为 先进制造技术的载体，而且是发展新兴高新技术产业和尖端工

14、业 (如信息技术及其产业、航空、航天等国防工业产业 )的最基本装备，同时还是关系到国民经济发展和国防事业的战略性产业。世界上各工业发达国 家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业。 重型数控落地镗铣机床的研究分析起源于上世纪 50年代起，国外特别是美、德、日三国是当今世上在数控重型机床科研、设计、制作和应用上 ,技巧最先进、经验最多的国家。美国的数控机床的主机设计、制作及数控系统基础扎实 ,且一贯器重科研和创新 ,故其高性能数控机床技巧在世界也一直领先。德国的数控机床质量及性能良好、先进实用、货真价实 ,出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密数控机床。

15、德国特别器重数控机床主机及配套件之先进实用 ,其机、电、液、气 、光、刀具、测量、数控系统、各种功效部件 ,在质量、性能上居世界前列。日本充分发展大批生产自动化 ,继而全力发展中小批柔性生产主动化的数控机床。国内中国在 1958年研制出第一台数控机床 ,通过不懈努力，在 50余年间 ,数控机床的设计和制作技巧有较大前进，但是机床结构的设计多半仍然处于经验设计，设计计算时使用一般的结构计算方法，虽然这些计算具有可靠性、科学性，但是对于复杂的机床结构仅有计算和试验是不够的。这导致国内重型数控落地镗铣机床产品和国外产品还存在着很大的差距。 1.3 研究意义 随着国内经济建设的快 速发展，工业企业的不

16、断发展壮大，大型箱体类零件的加工已成为国内急需解决的关键性问题，要求机床生产厂家发展能够制造大型箱体类件加工的落地式镗铣机床，以满足国内重型机械、工程机械、机车车辆、大型电机、水轮机、汽轮机、船舶、核电、大型环保设某型重型数控机床滑枕设计及温度场仿真分析 2 备等市场发展的需要，加之其它重型机械行业发展的需求，我们可以预见其广阔的市场前景，由此也可见其在国民经济发展中的所起到的重要作用及所处的重要地位。同时为应对当前金融危机，国家制订并出台了装备制造业振兴规划，其中一大领域的重大科技专项就将大型数控机床列为振兴规划发展的重大装备 ，这意味着重型数控机床行业面临着一次发展的机遇，当然也是一次挑战

17、。这项文件是继“高档数控机床与基础制造装备科技重大专项 “之后的又一次将大型数控机床列入我国未来几年的振兴规划目标。这项举措既表明了国家对重型机床装备制造的高度重视，又体现了重型机床在国家装备制造业中的重要战略地位。 面对我国航空、航天、核电、风电、船舶等国家重点领域的重大工程项目对大型、重型数控机床这一关键装备的迫切需求，大型数控 镗铣机床 具备了高效率、大批量、高精度的特点，是上述重大工程项目所需复杂盘类零件加工设备的首选。 我国是制造大国 ，工业制造是国家的经济命脉。随着现代工业的发展以及工艺水平的提高，高效率、高精度、低成本加工性能机床的需求越来越多，而且随着加工产品的大型化，自动化的

18、趋势，重型数控落地镗铣机床的需求量越来越高。重型数控落地式镗铣床已列为振兴国家装备制造业 “ 数控机床发展专项规划 ” ，是我国重点扶持的行业，但由于重型数控落地镗铣机床的体积大，吨位重，生产制造成本高，这有必要在设计时进行多方面的分析，降低机械振动，减少部件的弯曲变形从而提高加工工件的生产质量。 本课题重点研究重型数控落地镗铣机床的关键部件的稳态 特性，以及整机的温度 场影响变形。课题的结果对提高机床整机的性能以及加工精度具有重大的借鉴意义。对于大型落地式镗铣床变形问题的设计具有推动作用。 1.4 国内外研究现状分析和成果 本次课题研究共查阅相关文献共 52篇，年份分布图 1所示 篇数024

19、6810121416182001年2000年2005年2006年2008年2009年2010年2011年2012年2013年图 1年份分布图 从图中看出文献主要集中在 2011-1012年，这说明文献的实时性较强，对本论文研究具有重大的借鉴意义。 所有文献基本全部以滑枕为主体，进行滑枕的加工工艺、结构设计、变性补偿、静动态分析以及系统热特性介绍和分析。 某型重型数控机床滑枕设计及温度场仿真分析 3 具体情况如图 2所示： 文献数量024681012141618加工工艺设计变形补偿静动态分析热特性其他文献数量某型重型数控机床滑枕设计及温度场仿真分析 3 图 2 文献内容分类数量统计 从图中看出文

20、献总体分为六大类别，分别是对滑枕的加工工艺、设计、变形补偿、静动态分析、热特性分析以及其他机床介绍。 整体方面，文献主要是从机床的机构设计分析、动态分析和热特性三个方面进行研究的。主要采用 ANSYS 有限元软件对机床的结构建模，分析机床的结构找到刚度的薄弱环节进行优化，对机床进行热特性分析为整机的冷却系统提供理论，同时改进装置提高加工精度。对于机床的动力分析时采用有限元及结构优化（ CAE）技术相结合的手段，提高机床性能。 通过文献可以总结出以下两方面观 点 。 1. 滑枕的加工是数控落地镗铣床机械加工的重点及难点，对其加工方法从自主创新、工艺攻关、小批试制、批量生产过程中逐渐总结成熟经验。

21、通过不断的学习和实践，对滑枕的加工技术的一些粗浅经验和总结。在今后的工作中滑枕的加工仍需解决： (I)滑枕的 la腔孔测量采用更精确的激光、电子等手段测晕，使测量结果更可靠。 (2)提高重大型数控镗铣床滑枕两端孔与内腔孔的同轴度精度。 机床滑枕 分析主要分为滑枕的结构设计、稳态 特性分析、热特性分析以及滑枕的热变形 四个方面。（ 1）结构设计时主要运用有限元分析的方法对滑枕的内部结构 的静、动特性进行分析，提高滑枕的灵敏度。（ 2）动态分析时首先进行三维建模，进而采用 ANSYS对滑枕进行动特性分析 。（ 3）热特性分析时主要运用有限元软件仿真计算滑枕系统的稳态温度场分布以及热平衡时间，得出且

22、温度分布均匀程度是影响热变形的关键因素。（ 4）滑枕的 热变形 分析时首先采用 PRO/E建模，之后用有限元分析方法对滑枕进行静态分析，从而建立一系列的平衡方程 ,找出滑枕的分析 方法。 纵观文献内容发现目前重型数控落地镗铣机床的发展方向是高速铣削，其功能通过滑枕组件来完成。在理论论证时需要对滑枕、滑枕、立柱等部件进 行强度、刚度分析，以保证镗铣床的加工精度以及可靠性。现在国内外对机床进行静态、模态分析多采用计算机辅助工程 ( CAE ) 技术，通过PRO/E， CAD、 matlab以及 Solid Works对机床部件建模，运用 ANSYS、 matlab以及 CAE软件，根据实际工作情况

23、，将实际中的经验数据加载到模型中，进一步分析 ,这样可以找到机床的薄弱点，并且对问题点进行修改和优化。 2. 我国的机床热变形研究始于上世纪中叶，虽然起步比较晚，但是发展较快，取得的研究成果也颇丰。当时，某高校在一台内圆磨床上加工并测 量一批零件，在对零件尺寸误差进行分析时，应用统计法来分析误差，在对导致零件加工误差的因素进行总结分析时，发现其中最重要的因素是热变形。随后，北京的机床研究所和上海一些机床厂等相关单位都在机床热变形方面做了大量深入的研究，包括浙江大学在内的一些高校和科研单位等深入研究了机床热态几何精度超差的问题。天津大学用在线检测软件对误差进行补偿，并在基于 Windows平台上

24、开发出误差补偿的软件。上海交通大学在最小二乘原理的基础上开发出递推最小二乘原理，所得出的模型不是一个固定公式，而是通过一种算法的形式来体现，此建模方法 的特点是其补偿模型可以根据输入的新数据来更新自身的状态，所以可用于在线建模补偿。沈阳航空工业学院开发出一种基于人工神经网络的可以对数控机床的热误差进行预报的补偿系统，之后又在无线冲击响应网络理论的基础上，提出了一种热误差预报模型。通过将输出前的状态储存在延时单元中，然后把时问信号展成空间表示，输入给静态的前馈网络，使模型具有动态性质，这样就可以在热误差产生的时候，对其进行实时补偿，这种实时补偿的方法为误差补偿问题开辟了新的道路。 某型重型数控机

25、床滑枕设计及温度场仿真分析 4 1.5 研究内容与方案 在机床设计阶段，根据某厂里提供的参数数值建立二维与模 型，在三维软件中将所建模型组装起来，检测滑枕 各部件之间是否有干涉等，以完善图纸设计中的不足之处。使用大型通用的有限元分析软件 ANSYS对 TK6920镗铣床重要部件进行分 析，进而确定主要部件的刚、强度是否符合要求。本文主要是针对滑枕 进行 设计与温度变形 分析， 行软件仿真分析，分析系统稳 态特性。 滑枕的设计 有以下两个方案： 方案一：计算相关数据，利用 Pro /E对滑枕进行建模，如图 3-1-1所示： 将在 Pro /E 中建立好的模型导入到 ANSYS Workbench

26、中，建立有限元模型如图 3-1-2所示，并且运用ANSYS对滑枕进行温度场仿真分析以及传动系统引起的温度变形。 方案二 ： 初步计算相关数据 ， 运用 SolidWorks 建立滑枕以及整体机床的三维模型 。 将图形导入 ANSYS中进行分析，进而对滑枕的结构进行优化。 方案评价：总体来看方案一二都是通过三维建模软件进行建模，再利用有限元软件进行滑枕的静动态分析以及结构上的优化。 Pro E操作软件是美国参数技术公司 (PTC)旗下的 CAD CAE CAM一体化的三维软件。 Pro E软件在目前的三维建模软件领域中占有着重要地位，以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，采用模 块化方式可以解

27、决产品多样性的问题。 Solid Works为达索公司集团为制造业提供系统及生产相关的服务，提供涵盖整个产品周期的系统，包括设计、制造、工程和产品数据管理等领域。 Solid works软件组件繁多，功能强大、易学易用和技术创新是 Solid Works的特点，这使得 Solid Works成为主流的、领先的三维 CAD解决方案。 Solid Works能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。因此在三维建模方面主要运用 Solid Works软件进行建模。 温度场仿真的设计 有以下几个方 案： 方案一：基于 ANSYS软件，进行机床整机及滑枕部件温度场分析，确定传动系统引

28、起的温度变形。 根据所建立的滑枕系统有限元模型，在上述材料参数和边界条件下，设环境温度为 20，当主轴转速为 1 600r min时，计算系统的稳态温度场，得到热平衡时系统的温度分布情况如图 3 2所示。 图是滑枕系统热平衡时的温度场分布，系统的最高温度为 75 463，最低温度为 67 359。高温区主要集中在滑枕前端，这是由于系统前端比较封闭，无法通过空气很好地散热，且有一部分切削热也会传递到滑枕上。在对滑枕系统温度场分析 的基础上，把系统的稳态温度场作为热载荷，对系统进行热一结构耦合分析，计算出滑枕系统的热变形。 方案二：基于 Hypermesh软件，进行机床整机及滑枕部件温度场分析，确

29、定传动系统引起的温度变形。 已有方案列举： 某型重型数控机床滑枕设计及温度场仿真分析 5 1运用三维软件 Solidworks建立 TK6920数控铣镗床整机三维模型，并对整机进行虚拟装配；对关键部位进行精确建模，为建立其有限元模型做准备。 2在分析计算滑枕系统内部热源、边界条件的基础上，运用有限元软件 ANSYS建立滑枕系统的有限元计算模型。对滑枕系统进行稳态热分析，求出系统的温度场分布情 况；对系统进行瞬态热分析，得到滑枕系统的温升曲线。 3在确定约束条件和热载荷的基础上，计算出滑枕系统的热变形和铣轴头部的最大跳动量，并确定滑枕系统热变形对机床加工精度的影响程度。 4设计出改善滑枕热特性的

30、方案，用 ANSYS中的 APDL编程语言，在对滑枕系统进行参数化建模的基础上，对滑枕的结构进行优化设计，以期实现既改善滑枕系统的热特性，又提高其动态特性的目标。 方案评价： Pro E软件在目前的三维建模软件领域中占有着重要地位，以参数化著称，而 Solid Works能够提供不同的设计方案、减少设计过程中 的错误以及提高产品质量 ,根据自己学习掌握程度，选择 Solid Works更加适合进行 cad三维建模 . 在仿真模块， Hypermesh软件对于目前的学习过于复杂，选择 ANSYS建立滑枕系统的有限元计算模型，简单，实用。 最后 确定方案 如下： 根据对文献的分析以及自身基础的评价确定了如下方案。 (1) 初步设计滑枕的结构。 (2) 采用 Solid Works软件对 TK6920重型数控落地镗铣机床的滑枕进行 CAD三维建模。 (3) 利用利用 ANSYS 软件对滑枕进行稳态温度场分析并对结果做出评价。 (4) 初步设 计滑枕及整机床温度创仿真分析，确定温度变形。 (5) 利用 ANSYS 软件对模型进行温度仿真，分析仿真结果。