立式微型数控铣床整机结构的有限元分析
数控立式车床立柱结构有限元分析
数控立式车床立柱结构有限元分析摘要：数控立式车床作为机床的一种，在行业内有着举足轻重的地位，在机械制造行业竞争日益激烈的状态下，机床的加工效率，加工精度和加工稳定性就显得尤为重要。
立柱是数控立式车床的重要零件，其结构形式对机床的整体刚性有着重要影响。
本文主要论述立式车床中的立柱，应用有限元及拓扑优化法做结构分析和对比，为其设计方案提供理论依据，从而提高整机静刚性及加工精度。
关键词：数控立式车床立柱有限元分析结构优化0引言数控立式车床立柱结构的设计是否合理直接影响着机床整机精度及刚性，目前市面上的数控立式车床常见的立柱形式主要有两种，分别是人字形立柱和一字形立柱[1]。
首先采用Solid works三维建模软件建立以上两种立柱的简化三维模型，通过Solid works软件的Simulation插件对立柱进行有限元分析及拓扑优化。
有限元分析及拓扑优化法就是在特定的设计空间，载荷，边界条件的前提下，寻求材料的最优分布，是目前行业最普遍采用的分析方法[2]。
采用以上方法对立柱进行网格划分，模拟立柱实际状态，从而分析两种立柱的静刚性，对比数据，得出结论。
1立柱三维模型建立立柱的结构和加强筋型较为复杂，采用Solid works软件进行三维模型建立，考虑到某些结构特征在分析时对结果影响不是很明显的前提下，可以尽量简化模型，但必要特征不应简化，由于圆角和螺纹孔对后续有限元分析的网格划分有较大影响，再创建模型时，尽量少用圆角。
如果必须加孔，可以用光孔代替螺纹孔，过多的圆角和螺纹孔大概率会加大分析时长，浪费时间，而且非常容易出现分析错误[3]。
为了确保数据结果的一致性，在建模时应该保证与三维实体模型的一致性，人字形立柱和一字型立柱的尺寸大小规格相同。
2静应力有限元分析模型建立有限元分析的一般步骤是确定材质，设置连接方式，受力分析，网格划分和运行结果。
立柱的材质一般选取灰铸铁HT300,是铸件常用的材料之一。
由于灰铸铁材料本身易于铸造，有良好的耐磨性和减震性，易于加工，而且价格相对便宜，性价比高，是机床大件的不二选择。
数控铣床床身结构的模态分析及优化
型，这是进行有限元分析的基础。本文利用比较流行 的三维软件Pro/E创建三维模型，并把Pro/E三维模型 导入到有限元分析软件Workbench中。
(2) 材料属性和边界条件。床身材料为 HT250,密度为7.28 x 103kg/m3,泊松比为0.156,弹 性模量为1.38xl05MPa,
图1 V形床身网格划分
76 竺煦第7顎 www.mwl950. com
余爲於》工®冷加工
图2矩形床身网格划分
身一阶振型为床身中间上半部分上下摆动，固有频
率为170.26Hz,在该振型下V形床身的最大振幅为
92.607 gm,此时的最大变形为2.372 2mm；床身
二阶振型为床身中间下半部分上下摆动，固有频
参考文献： [1] 倪晓宇，易红，汤文成，等.机床床身结构的有限元分
析与优化[J].制造技术与机床，2005⑵：47-50. [2] 郝文化，肖新标，等.ANSYS 7.0实例分析与应用
400.00
800.00 (mm)
200.00
600.00
图3 V形床身第一阶振型
B: Modal Figure Type: Total Deformation Frequency: 190.71 Hz Unit: mm 2018/10/1 19:24
4.392 3.843 3.294 2.745 2.196 1.647 1.098 0.549 0 min
最大变形/mm 2.372 2 4.9410 1.458 5 5.116 9 2.047 3
阶次 1 2 3 4 5
表2矩形床身模态分析结果
固有频率/Hz 169.75 196.53 236.45 250.45 286.65
立式加工机床刚度有限元分析
立式加工机床刚度有限元分析李再参;浦宏毅;黄建国【摘要】本文对影响机床精度的静刚度的受力变形组成进行分析,应用有限元技术对某型立式加工机床首先进行整体静刚度的分析,以验证设计是否满足机床刚度要求.对分析结果加以分析比较,识别出刚度较小的部件并加以重新设计,提高部件刚度从而提高机床整体静刚度,以保证和提升机床静态性能.【期刊名称】《机电产品开发与创新》【年(卷),期】2019(032)003【总页数】3页(P93-95)【关键词】静刚度;变形;精度【作者】李再参;浦宏毅;黄建国【作者单位】云南省机械研究设计院云南省机电一体化应用技术重点实验室,云南昆明650031;云南省机械研究设计院云南省机电一体化应用技术重点实验室,云南昆明650031;云南省机械研究设计院云南省机电一体化应用技术重点实验室,云南昆明650031【正文语种】中文【中图分类】TH1220 引言立式加工中心的刚性对机床整机的刚性和加工稳定性有较大的影响，其刚性不足，很可能降低所加工工件的加工精度和加工质量，对在机床设计过程进行有限元分析，可以对其结构刚度做出评价，进行验证和优化。
1 机床结构的静刚度与机床精度的关系机械加工过程中机床、刀具、夹具、工件等组成的工艺系统，在切削力、夹紧力、传动力、部件自身的重力、惯性等外力作用下产生的变形会破坏已经调整好的刀具与工件之间的相对位置，造成切削加工几何形状误差和尺寸误差。
由于机床系统是各种零件、部件按不同连接方式和运动方式组合起来的总体，因而这种加工误差是机床系统在载荷作用下，传递到力的所有部件变形的总和。
对于立式加工中心，刀刃与工件相对位移δ是切削力传递路径上各零件变形量累计的总位移，设变形量分别为：刀杆δ1、主轴系统δ2、主轴箱δ3、床身δ4、工作台丝杆δ5、工作台δ6，即：在切削力和重力作用下，机床抵抗变形的能力用机床系统静刚度k来描述。
机床系统在加工过程中受切削力载荷的影响，机床结构产生变形，从而造成加工工件的形位误差和尺寸误差，这种误差是机械加工的精度中一项很重要的原始误差。
数控车床主轴力学特性的有限元分析方法
（上接第２４５页） 为了解决旋转液压缸１３．１串油或单向阀９．１卡死时 引起的问题，增加了保压回路００２，保压回路００２由 小功率定量泵单独供油，且在保压回路中选用具有卸 荷功能的换向阀５，这样在泥炮打泥时保压回路为旋 转液压缸保压，即使旋转液压缸１３．１串油或单向阀 ９．１卡死，仍能使泥炮嘴紧压在泥套上，完成本次周 期，消除了安全隐患，保证了高炉的连续生产。在泥 炮打泥完成后，定量泵可以通过换向阀５直接卸荷， 减少了系统发热，提高了元件的使用寿命。（２）为 了解决液控单向阀卡死时带来的问题，在液控单向阀 前后各设１个常开球阀１．９和球阀１．１０，且在液控单 向阀的进、出油口之间并联常闭球阀，这样在液控单 向阀出现问题时，可以通过关闭球阀１．９和球阀 １．１０、打开球阀１．１１来使本次操作顺利完成，保证 了高炉的连续生产。 ３结论
限元分析［Ｊ］．力学与实践，２００７，２９（２）：５４—５６．
万方数据
【２】陈玉瑜，芮执元．用传递矩阵法分析机床主轴动态特 性［Ｊ］．组合机床与自动化加工技术，２００７（３）：２３
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【４】杨美英．数控机床主轴组件设计及刚度计算［Ｊ］．机 械．【程与自动化，２００４（２）：７１—７２．
对于主轴结构的静态和动态特性分析，目前常用 的方法主要有解析法和有限元法…。应用解析法分析 时，为了简化计算，需要进行较多的假设，计算精度 不高口１。应用有限元法计算时，现有方法存在以下不 足：（１）静态和动态分析采用相同的单元类型；（２） 不考虑轴承刚度对分析结果的影响。众所周知，采用 有限元法求解问题时，建模方法非常关键，模型的建 立是否合理对求解结果的影响很大。其一是针对特定 的求解对象，单元类型的选择是否合理。比如机床主 轴刚度分析宜采用梁单元进行求解，而模态分析宜采 用实体单元求解。其二是边界条件的考虑是否合理。 机床主轴通过轴承安装在机架上，而轴承是弹性体， 不能将其假设为刚体进行求解。
基于UG的小直径立铣刀应力场有限元分析
基于UG的小直径立铣刀应力场有限元分析作者：刘鹏王好臣引言在模具制造业，用高速铣削加工替代电加工已成为一种发展趋势。
模具型腔精加工的典型工艺为：毛坯粗加工→半精加工→热处理→精加工(高速或超高速铣削)。
在精加工工序中，常使用小直径立铣刀在高转速下进行清角和微细结构加工(小直径刀具在低转速下加工易发生崩刃或断裂)。
由于小直径立铣刀受力时容易变形，导致加工精度缺失，因此对小直径立铣刀铣削力应力场进行有限元分析很有必要。
2 瞬时动态铣削力基本模型圆周铣削加工的几何关系如图1所示。
在此不考虑铣刀的渐进磨损过程。
瞬时动态铣削力可分解为瞬时圆周铣削力dFri。
i(切向力)和瞬时垂直切削力dFri(径向力)，可表示为式中，KS为切向铣削力系数；t I (ψ I ) 为瞬时切削厚度(它是时间的函数)；R为刀具半径；β为刀具螺旋角；c为切削力切向与径向的比例系数；ψi为第i个刀齿上一个切削点的齿位角，其计算公式为：ψi=ψ+θ+(i一1)2π/m，(1≤i≤m，o≤ψ《Ψ，其中：ψ为螺旋滞后角，θ为刀具在dt时间转过的角度，m为刀具齿数，Ψ为刀具切入角，当轴向切削深度为ba时，有：图1 圆周铣削加工的几何关系瞬时切屑厚度及刀具有效前角对动态铣削力的的影响可表示为：周铣加工有不同的加工方式(见图2)。
顺铣和逆铣加工时，每个切削刃的总切削力为式中，Ψe和Ψs为切削刃的起始滞后角和终止滞后角，可按以下两种方法计算：将m个切削刃的切削力累积后，可得整个刀具所受的总切削力为：图2 圆周铣削加工的不同方式3 立铣刀铣削力试验在铣削力试验中，采用Kistler(9257B)三向动态测力仪、电荷放大器(5017B)和A/D转换卡测量在高速切削时不同切削条件(切削速度、切削深度和进给量)下的切削力，铣削力测试系统的工作原理见图3。
该试验获得的切削力还可在应力场有限元分析时用于确定受力边界条件。
图3 铣削力测试系统原理图4 立铣刀的实体建模根据铣刀制造原理，选择以去除材料的方式来建立铣刀模型。
机床整机特性的有限元分析方法
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（#+ ） 对式（ #+ ） 的刚度矩阵，当 单 元 的 几 何 形 状 确 定以后，就只与式（ # ） 表示的由实验获得的切向和 法向刚度有关。因事先不能确定接触面上的接触 压 力，故获得刚度矩阵需要迭代计算。
, , 表 # 是整机垂直方向主轴下端面由冲击响应谱获 得的共振频率与实验结果的比较。计算结果与实验结 果基本一致。表明本文的分析方法能够比较好地反应 机床整机结构特性。
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《 机床与液压》 $++)1 aL1 -
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
模型的响应谱，以响应谱峰值点对应的频率作为模型 的共振频率。
表 #, 实验与计算得到的共振频率比较 阶次 # $ . ) 实验结果 , - /0 )$ #+##$ #)+ #&+ 计算结果 , - /0 .& #+) ##* #)* $+# 相对误差 " - . )1 ** #1 &. .1 .’ .1 ’* )1 *"
基于AnsysWorkbench的立式加工中心床身有限元分析和优化设计
［１］ 李德雨．基于 ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ 的多层波纹管自振频率 计算［Ｊ］．矿山机械，２００５，（６）：Ｐ８３－８４．
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第 ３１ 卷 第 ９ 期 ２００９－０９ 【１３１】
由于机床机构过于复杂，采用 ＷＯＲＫＢＥＮＣＨ
自动划分网格，在 Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ 中一般不需要选取单
元类型，划分方法是Ｈｅｘ Ｄｏｍｉｎａｎｔ 运用的是四面体 与六面体结合的划分方式，由于在导轨处有许多无
图 ３ 机床床身 １ 阶模态云图
法简化的小的阶梯，在这些地方采用局部的细化网
格的方法来划分，得到 ４４４８３ 个单元 １３５１４４ 个节点。
度，应该使有限元模型尽量简化。同时建立有限元 模型时，应合理选择单元类型，并在编排节点时， 尽量减少相关单元的节点号差、带宽，以减少资料 存储量。ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ 和 ＰＲＯＥ 具有直接的 双向接口，可以在 Ｐ Ｒ Ｏ Ｅ 中建模然后再导入 ＡＮＳＹＳＷｏｒｋｂｅｎｃｈ 进行计算。 １．１ 建立物理模型
件。通过机床主电动机功
率和机床加工工件的最 大尺寸，以及主轴转速，计算机床的额定扭矩和额 定力，由 Ｆｘ：Ｆｙ：Ｆｚ＝０．３：０．５：１．０ 得到 ３ 个切削分力，计 算立柱，床鞍，主轴箱等构件的重量并将上述重量 均作为作用在床身上的附加质量处理，即在相应坐
快，但要求比 Ｓｕｂｓｐａｃｅ 法内存多大概 ５０％。Ｂｌｏｃｋ Ｌａｎｃｚｏｓ 法采用稀疏矩阵方程求解器［２］。
床身的实际结构很复杂，有繁多的筋板、曲面、 窗孔，各处厚度不相同，几何形状也多变。为了适 应有限元计算，必须将其简化处理，略去许多不影 响床身刚度的细微结构（如小倒角、小圆弧、小凸 台等）。简化后的床身模型如图 １ 所示。
毕业设计(论文)-小型数控立式铣床机械结构设计
福州大学至诚学院本科生毕业设计（论文）题目：小型数控立式铣床机械结构设计姓名：学号：系别：机械工程系专业：机械设计制造及其自动化年级：2008级指导教师：年月日独创性声明本毕业设计（论文）是我个人在导师指导下完成的。
文中引用他人研究成果的部分已在标注中说明；其他同志对本设计（论文）的启发和贡献均已在谢辞中体现；其它内容及成果为本人独立完成。
特此声明。
论文作者签名：日期：关于论文使用授权的说明本人完全了解福州大学至诚学院有关保留、使用学位论文的规定，即：学院有权保留送交论文的印刷本、复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅；学院可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印、数字化或其他复制手段保存论文。
保密的论文在解密后应遵守此规定。
论文作者签名：指导教师签名：日期：小型数控立式铣床机械结构设计摘要本文主要介绍了数控立式铣床机械结构部分的设计。
包括立式铣床的总体布局、主传动系统、伺服进给系统和工作台等主要机械结构设计。
此次设计是在传统机床的基础上，对其改造，使其能够适应更多的加工需要。
其中要使铣床的总体结构更加紧凑，所以采用了主传动系统都用立式的传动轴。
并且同时还要保证传动的平稳和精准，这就需要在机械结构的设计上有更高的要求，对电机的选择和传动轴的设计计算需要更加精确。
而伺服进给系统的设计就主要考虑传动的精准，丝杆的传动的灵敏性以及伺服电机的最优传动。
对丝杆需要考虑传动的力矩和扭矩大小，怎样选择才能做到最优设计。
数控工作台的设计因为之前接触的少，在查阅了大量资料后，选择了分度回转工作台。
并且此项设计已经成熟，在查阅资料后根据我所设计的机床做出了合适的选择，采用了定位销式分度工作台。
这种工作台的定位分度主要靠定位销和定位孔来实现的。
而定位精度则需要取决于蜗轮副的传动精度，因而必须采用高精度的蜗轮副。
关键字：数控铣床，机械结构Small vertical milling machine mechanical structuredesign of numerical controlabstractThis paper mainly introduces the numerical control vertical milling machine mechanical structure parts of the design.Include vertical milling machine of the overall layout, main transmission system, servo drive system and the main mechanical structure design, etc.This design is the traditional machine tools, on the basis of the reform, which can adapt to the more processing need.This should make the general structure of the milling machine is more compact, so the main transmission system with all of the vertical shaft.And at the same time it also ensures that the transmission of smooth and accurate, this needs in the design of the mechanical structure has higher request, to choose and the shaft of the motor design and calculation of the need to be moreprecise.And servo drive system design is the main consideration of transmission of precise, screw transmission of the sensitivity of the servo motor and the optimal transmission.To screw need to consider the transmission torque and torque size, how to choose to do the optimal design. The machine optimal transmission.The design of the CNC table before because of the contact less, in turn a large number of data, choose dividing rotating table.And the design has been mature, in the access to information according to the design of after I made the right choice machine, using a location pins type dividing workbench.This table positioning dividing depend mainly on pins and positioning will realize the hole.And positioning accuracy is needed to worm gear transmission accuracy of depends on vice, therefore it must be with high precision of worm gear and vice.Key word: CNC milling machine, mechanical structure目录1 绪论 (4)1.1 课题的研究目的和意义 (4)国内、外现状及水平................................................................................................... 错误!未定义书签。
基于有限元方法的数控铣床整机热特性分析
基于有限元方法的数控铣床整机热特性分析摘要: 使用有限元方法,对新设计的XK717 数控铣床进行了整机热特性分析,并与XK510 数控铣床（成熟产品）的分析结果进行比较,根据比较结果,找出XK717 数控铣床热特性的薄弱部件,从而为提高XK717 数控铣床的整机热特性指明了改进的方向.关键词: 热特性;有限元;数控铣床在机械加工中,工艺系统在各种热源（摩擦热、切削热、环境温度、热辐射等）的作用下,产生温度场,致使机床、刀具、工件、夹具等产生热变形,从而影响工件与刀具间的相对位移,造成加工误差,进而影响零件的加工精度. 根据英国伯明翰大学J . Pe2clenik 教授调查统计表明,在精密加工中,热变形引起的制造误差,占总制造误差的40 %～70 % . 所以,如何减少热变形,提高加工精度,是机床设计中非常棘手和重要的问题.目前,有很多学者通过试验和理论分析,对机床的热变形进行研究. 如浙江大学,对弹性热接触问题用有限元方法进行研究,而且对有限元系统进行开发,并应用于TKA6916 数控落地铣镗床的结构优化上,取得了一定的成果[1 ] . Okuyama 等人,通过实验测量了在平面研磨机工作过程中,砂轮主轴和工作台的相对热位移,并使用有限元方法对研磨机的热变形进行理论研究,结果表明理论与实验结论相一致[ 2 ] . Moriwaki 等人通过实验和有限元方法研究了由于环境温度变化引起的热变形对加工中心的影响[3 ] . 本文将通过有限元方法,对新设计的XK717数控铣床进行整机热特性分析,并与XK510 数控铣床（成熟产品）的分析结果进行比较,根据比较结果,找出XK717 数控铣床热特性的薄弱部件,从而为提高数控铣床的热特性指明了改进的方向.1 整机有限元模型考虑到XK717 数控铣床的结构相当复杂,为了便于有限元分析,对其结构进行适当的简化. 并采用20 节点体单元SOL ID95 进行网格划分,整机有限元模型如图1 所示.2 分析条件XK717 数控铣床的主轴系统前支承采用7020C 轴承,成对串联、开口朝下安装,中间支承也采用7020C 轴承,成对串联、开口朝上安装,设计预紧力为500 N ,后支承采用7018C 轴承,成对背靠背安装,设计预紧力为200 N ,轴承布置如图2 所示.对于典型的铣削工艺,使用立铣刀（高速钢）直径为40 mm ,齿数为Z = 6 ,对碳钢进行加工,其铣削深度a[sub]p[/sub] = 20 mm ,铣削宽度a[sub]e[/sub] = 2 mm ,每齿进给量a[sub]f[/sub] = 0. 01 mm ,转速为3500 r/ min ,假设工作台上的能量沿X 方向的分布,如图3 所示.并假设被工作台吸收的总能量为切削能量的10 %. 根据这些条件可计算出热分析的边界条件,具体的计算方法见文献[4 ]. 机床各部分材料特性如表1所示.3 结果分析图4 为主轴转速在3 500 r/ min 时,XK717 数控铣床整机温度场云图. 从图中可以看出,铣床温度比较高的部位在主轴的前支承部位;前、中、后支承的平均温度值分别为62.13 ℃, 57. 44 ℃, 45. 35℃. 图5 为XK717 数控铣床整机热变形云图,从图中可以看出,主轴箱前面部分热变形比较严重,而主要影响加工精度的主轴前端面平均热变形量为0. 143 mm.[align=center][/align]图6 、图7 分别为在相同仿真条件下,XK510 数控铣床的温度场和热变形场的云图. 前、中、后支承的平均温度值分别为52. 7 ℃,52. 71 ℃,36. 5 ℃,而主轴前端面平均热变形量为0. 062 mm.通过比较可知,XK717 数控铣床的轴承温升比XK510 数控铣床的温升要高,而主轴前端面热变形量大2 倍多. 这主要是因为:[align=center][/align]（1）XK717 数控铣床的轴承个数多,前、中、后各2 个,共6 个,而XK510 铣床只有4 个,前支承两个,中、后支承各1 个;（2）XK717 铣床是大型数控铣床,主轴直径为0. 1 m 左右,而XK510 铣床只有0. 065 m ,这就表明在选择轴承时,新设计的XK717 数控铣床的轴承尺寸要比原铣床的大的多.上述2 个原因直接影响到数控铣床轴承的发热量,进而影响到轴承的温升和主轴的热变形. 由于XK510 数控铣床是成熟产品,在使用中,加工精度一直比较高,而分析结果表明新设计的XK717 数控铣床热变形精度明显没有XK510 数控铣床的精度高. 因此,很有必要对XK717 数控铣床采取一些措施,来减少机床的热变形. 从结果云图可以看出,主轴及主轴箱部件是影响主轴热变形的关键所在.4 结语通过对新开发设计的XK717 数控铣床进行整机热特性分析,并与XK510 数控铣床的结果进行比较,结果表明XK717 数控铣床的热变形精度没有原铣床的精度好,并且对其原因进行了分析,而且从结果云图中可以看出,XK717 数控铣床主轴及主轴箱部件是温度和热变形最为严重的部件,因此,应采取相应的措施来提高主轴和主轴箱部件的热特性.。
立式铣床工作台有限元优化设计
蛋白酶k消化裂解法蛋白酶K消化裂解法是一种用于蛋白质分析和结构研究的高效技术。
这种方法可将特定序列附近的蛋白质序列剪切成小碎片，从而更轻松地研究和识别蛋白质。
本文将对蛋白酶K消化裂解法的原理、应用和优劣进行探讨。
一、原理蛋白酶K是一种细菌性蛋白酶，可以水解蛋白质两侧L-lysyl和L-arginyl间的键，但不会消化其他氨基酸。
这使得蛋白酶K成为一种特殊的限制酶，它可以将特定的蛋白质序列剪切成小碎片。
蛋白酶K的消化过程一般顺利，在30分钟至2小时内完成，并且蛋白质片段的长度和位置都很容易被控制。
二、应用1. 识别蛋白质：基于蛋白酶K的消化原理，经常被用来识别特定的蛋白质序列。
在蛋白质混合物中，蛋白酶K 消化的蛋白质片段特别突出，这种方法可以加速对目标蛋白的定位和鉴定。
2. 蛋白酶K-裂解组成蛋白质：蛋白酶K的消化方法非常适合将蛋白质裂解成片段，这些片段可以用于下一步的质谱分析、电泳、色谱等研究。
3. 转化和感染蛋白：蛋白酶K可以用于分析和鉴定内源性和异源性蛋白，包括对病毒感染过程中产生的蛋白质进行分析。
4. 单克隆抗体分析：制备单克隆抗体时，通常要从动物中提取大量免疫球蛋白。
使用蛋白酶K对大量IgG进行裂解，可以得到具有更好性能的抗体片段，进而实现更好的免疫反应。
三、优劣1. 速度快：蛋白酶K的消化时间短，只需要30分钟至2小时即可完成，从而减少了蛋白质样本被其他方法处理后受到的磨损。
2. 精度高：蛋白酶K限制性地剪切特定的氨基酸，因此可以高精度地裂解蛋白质，几乎不会对其他氨基酸产生影响。
3. 实验成本低：蛋白酶k消化裂解法相对于其他方法来说，花费的实验成本非常低。
总的来说，蛋白酶K消化裂解法快速、精确且成本低，因此现在这种技术已经被广泛应用于蛋白质研究中，成为了一种十分有用的工具。
不过，这种方法因为只能识别特定的氨基酸序列，所以分析范围受到了限制，因此有些情况下需要结合其他检测方法来应对。
数控机床立柱结构有限元分析与优化设计研究
数控机床立柱结构有限元分析与优化设计研究近年来，随着工业自动化水平的不断提高，数控机床已成为制造业中不可或缺的重要设备。
而数控机床的结构强度、刚度对其加工精度、工作稳定性、寿命等方面也有着非常重要的影响。
本文旨在对数控机床立柱结构进行有限元分析和优化设计，以改善其结构强度和刚度，并提高其工作性能和使用寿命。
首先，本文选取了一台普通铣床的立柱结构作为研究对象，并通过Pro/E建立其三维CAD模型。
然后，利用ANSYS软件对立柱结构进行有限元分析，模拟其在静载荷作用下的应力和位移分布情况，并得出其结构强度和刚度等参数。
分析结果显示，立柱底部的最大应力较大，且刚度较低，易出现变形、破裂等问题，限制了机床的工作性能。
基于有限元分析的结果，本文进一步对数控机床立柱结构进行优化设计。
通过增大立柱的底部尺寸、增加立柱的挡板数量和加厚立柱壁板等措施，有效地提高了立柱的结构强度和刚度，并减小了其变形和破损等可能引起的损伤。
此外，在优化设计中采用了目标函数法对多个优化参数进行协同优化，最终得出了一组最优设计方案，使机床的工作性能得到了显著提升。
最后，本文对优化设计结果进行了验证。
将最优设计方案制造出来，并进行实际测试。
结果表明，设计方案得到的立柱结构强度和刚度均大幅提高，变形和破损等问题明显缓解，提高了机床的加工精度、工作稳定性和使用寿命，验证了本文优化设计的有效性和可行性。
总之，本文通过有限元分析和优化设计的方法，对数控机床立柱结构进行了改进和优化设计，提高了其强度和刚度等性能，增强了机床的工作性能和使用寿命。
该研究结果不仅对提升制造业的自动化水平具有重要的意义，也为其他相关领域的产品结构设计提供了有价值的借鉴和参考。
对于数控机床立柱结构的有限元分析和优化设计，需要收集和分析大量的相关数据。
这些数据包括材料力学性能参数、结构尺寸、静载荷等等。
下面将对这些数据进行分析。
1. 材料力学性能参数材料力学性能参数对数控机床立柱结构的有限元分析和优化设计具有直接影响。
立铣刀三维建模及有限元分析
建立立铣刀真实三维模型，进行有限元分析得出结论表明，其他铣 削条件保持不变时，背吃刀量越大，立铣刀的应力、应变、位移都同时 增大，而且三者增长幅度和增长趋势几乎相同但幅度不同，增长倍数为 四倍，；当每齿进给量增加时，立铣刀应力、应变、位移都同时增大， 但是二者的增长幅度也是几乎相同但幅度不同，增长倍数为2.3倍；切 削速度越大，立铣刀应力、应变、位移会越小，三者的增长趋势相同但 是幅度不同，减小速度为0.78。由此可得出结论，背吃刀量的变化对主 切削力影响最大。
Keywords:Vertical milling cutter The main cutting force Turning back
Cutting speed
目录
1 绪论 3 2 立铣刀的三维建模 4
2.1 立铣刀几何参数 4 2.2 立铣刀建模 4 3 立铣刀的有限元分析 5 3.1 立铣刀模型材料属性的确定 5 3.2立铣刀模型的网格划分 5 3.3 铣刀条件约束 6 3.4 铣刀有限元分析步骤 7
Windmill real 3 D model is established, the finite element analysis conclusions show that other milling conditions remain unchanged, turning back. There is greater tvertical stress, strain and displacement of the milling cutter is increased at the same time.And the three growth and growth trend is almost the same but different. The growth in multiples of four times.The
阐述数控立式车床横梁的有限元分析
阐述数控立式车床横梁的有限元分析引言机床已经成为当前工业生产中不可缺少的加工设备，横梁的机械性能对机床的加工精度起着重要的影响。
本文采用有限元方法对其静态特性进行了分析计算，得到横梁结构的应力与形变云图。
本文所采用的有限元方法可以，不仅节约数控车床横梁的设计周期，还可以针对特定要求进行优化。
1.数控立式车床结构特点（1）立柱与横梁采用对称性结构。
（2）横梁不仅设有分级定位机构，还采用了自锁功能的机械、液压联锁夹紧机构。
（3）主轴采用短主轴形式，径向和轴向分别采用采用高精度双列向心短圆柱滚子轴承和大型推力球轴承。
（4）机床主传动润滑采用自动循环润滑；其它部件的润滑采用间隙式定时、定量强制润滑。
2.横梁结构建模CK5116数控立式车床横梁是由长方形中空结构的铸钢件，切削加工而成；导轨布置在横梁的另一侧并采用丝杠与立柱相连。
依据二维图纸，利用solidworks软件绘制其三维图样如图2.1所示。
3.横梁的静力学分析3.1定义单元的属性定义单元的属性包括对其单元类型、材质特性以及参数量的单位三个主要方面。
ANSYS软件提供多种的单元类型适用实体、梁/管、杆/索、弹簧等分析对象。
本文中的横梁结构为方形中空的不规则几何体，因此选用SOLIDl85单元。
材質特性定义时按横梁设计所使用的材料的属性进行定义并注意单位的统一。
3.2网格的划分ANSYS软件具有智能划分网格功能以方便计算和减少分析计算的时间。
智能划分网格依据模型的曲率以及线与线的接近程度自动进行网格划分，在分析复杂的结构时通常采用智能划分网格。
本文所分析的横梁结构复杂因此采用智能划分网格进行网格划分，在软件中网格划分有1-10的精度等级，本文采用默认的6级精度来格划分。
3.3施加边界条件和载荷3.3.1切削力的计算（1）切削力的计算在切削加工过程中，工件和车刀受到的合力，大小相等而方向相反。
数控机床车削时的切削力计算公式：式中：为切削条件和工件材料对切削力的影响系数；为背吃刀量对切削力的影响指数；进给量对切削力的影响指数；为各种因素对切削力影响的修正系数之乘积。
数控立式车床立柱的有限元分析及优化
国外 研 究 机 构 在 机 床 结 构 优 化 方 面 开 展 了很
多研 究 ，美 国机 械 工 程 师 学 会 曾经 专 门 开 辟研 究 领域 ，进 行相关 的 可 以采 用有 限元软 件 来进 行参数
结 构设 计并 全面 优化 系统 的研 究 。国外 的高 校和 研
作为车床主要部件之一，立柱直接影响加工工件的精度和表面粗糙度。本文通过研究Ｏ ． Ｋ ５ １ ６ 型 数控 立式车床 的立柱 ，通过有 限元分析 ，开展优 化设计 ，以此提 高整体性 能。具体 工作 通过 实体 建模 ，通过有限 元分析得到 相对 应的位移和 应力 云图 ，之 后进 行模态分 析来研 究其静动
脉 冲 激 振 法 进 行 了动 态 性 能 的 研 究 ，得 到 了 振 型
图 ，并 提 出 了 改造 方 法 。华 东 理 工 大 学 的 刘 哲 丽 对Ｍｌ ９ ２ ０ 磨 床 结 构 开 展 了有 限 元 分 析 ，通 过 优 化 和 验 证 对 比试 验 ，验 证 了模 型 的 合 理 性 和 优 化 方 案 的 可 行 性 。 北 京 航 空 航 天 大 学 的 宋 晓 辉 ， 通 过 参 数 化 建 模 ，优 化 了ＸＫ７ １ ２ 数 控 铣 床 主 轴 箱 结 构 ，减重 ３ ０ ． １ ％，并 且增 加 了 系统 刚 度口 。
ｌ
訇 似
数控 立式车床立柱的有 限元分析及优化
Ｔｈ ｅ 竹ｎｉ ｔ ｅ ｅｌ ｅｍ ｅｎ ｔ ａｎａｌ ｙｓｉ ｓ ａｎｄ ｏｐｔ ｉ ｍｉ ｚ ａｔ ｉ ｏｎ ｏｆ ｔ ｈｅ ｖｅｒ ｔ ｉ ｃａｌ ｃｏｌ ｕｍ ｎ ｆ ｏｒ ＣＮ Ｃ ｖ ｅｒ ｔ ｉ ｃａＩ ｔ ｕｒ ｎｉ ｎｇ ｏ ａｃｈｉ ｒ ｎｅ
XK717型立式数控铣床主轴套的有限元热分析
・ ２ １ ９ ・
黑 山 地 区土壤有机质现状 及解 决办法
孟 庆 Байду номын сангаас
（ 锦州农业广播 学校 ， 辽宁 锦州 １ ２ １ ０ １ ７ ）
摘 要： 黑 山地 区是我市重要 的粮食 产区 ， 当前土壤有机质含量 降低 导致土壤 生产力 下降， 粮食产量钝减 ， 已成为锦 州乃至全 国关注 的问题 。通过秸杆还 田、 施 用有机肥料 等多种 办法 ， 可 以增加有机 质含量 ， 改 良土壤结构。 关键词 ： 土壤 有机 质 ； 微量元素 ； 有机肥料
锦 州市黑 山县位 于锦州东部 ， 中纬度地 带 ， 属于温 带季风性 气 充 ， 将会发挥用地与养地的双重作用 ， 既提高土地生产力获得增产 ， 候 。地貌结构为“ 三 山一水三分 田， 二分道路 和庄 园” 。地势西北高 、 又保 持地 力 常新 。 东南低 ， 从海拔 ４ ０ ０ ｍ 的山区 ， 向南逐渐降 到海拔 ２ ０ ｍ 以下 的海 滨 ２ ． ２制定完善和重视有机肥 料的政策法规 平原 。 加 强法制建设 ， 是增加有 机肥投入 ， 处 理好用 地与养地 关系 的 黑 山地 区的农业从近二十年来看 ，由于强调 追求 粮食 产量 ， 对 重要保证 。各级农业部 门要维护稳定农 民对耕地 的承包 ， 解决农 民 合理利用与保护耕地重视不够 ， 大量 施用化肥而很少施用或不用有 经 营土地 的后顾之忧 。 土地承包合 同不仅要 明确承包户使 用土地 的 机肥 ， 种地不养地 ， 掠夺式生产方式 ， 使 土壤有机质下降迅速 。据统 权利 ， 而且要明确承包 户对 地力 建设 的义务 ， 并 对完 成任 务的好坏 ， 计， ５ ０年代 时候 ， 有机 肥料用量 占总用肥 量的 ９ ０ ％以上 ， 而 由于长 规定奖惩 的标准与办法 ， 鼓励农 民积极 向土地投入有机肥料 。有条 期 以来对土地营业管理的不善和偏重使用化肥 ， 目前使用有机肥料 件 的地 区逐步实行耕地培养指标化 ， 研究制定鼓励农 民使用有机肥 用量的 比例 已经下降到 ３ ０ ％以下 。 土壤 有机 质被认为是植物生长 料 的政 策措施 ， 制定耕地 土壤 肥力保养法规 ， 确定 地力建设 的具体 的“ 荷尔蒙 ” ， 是土壤 中的“ 万金油” 。当前 土壤 有机质含量降低导致 任 务 。 土壤生产力下降已成 为锦州乃 至全 国关注 的问题 。 锦州地 区人均耕 ３ 进 一 步 总 结有 机 肥 料 开 发 利 用 的 经 验 并 加 速 推 广 地少， 保持土壤适 当的有机质水平是保持本地 区农业 持续发展的一 “ 夏 坑沤 、 秋灭茬 、 冬堆制 、 常年粉碎过腹 ” ， 玉米 杆青贮 、 麦杆氨 个 重要 因素。因此 ， 提高土壤有机质势在必行。 化过腹还 田、 机具 粉碎直接还 田、 发展 沼气 、 垫圈等多形式 、 多层 次 １ 土 壤 提 升 有 机 质 的 主 要 方 法 利用 ， 扩大秸杆还 田面积的新途径。 开展种草 、 养畜 、 畜粪 肥田 ， 以种 １ ． １ 推广多种形式秸秆还 田技术 ， 有 条件地区逐步实行机械化 。 促养 ， 以牧促农 。在城市粪肥利用方面 ， 有的省采取省投资 ， 地方配 农业生产 中大量使用化肥等造成利用率降低 、环境污染严 重。 农 作 套 ， 在县 、 镇设 立有机垃 圾处理场 、 城肥下 乡储 运池 ， 堆放、 处理、 周 物秸秆 中含有大量氮 、磷 、钾及其他微量元素。 秸秆还 田可以提高 转 、 调节 、 实行 由环卫部 门免 费运粪下 乡的试 点 ； 有些城 市试 行运用 土壤有机质 、 还可改善土壤的孔隙团聚 、坚实性等物理性质 改善 土 机械处理城市杂肥还 田 ， 有的城市进行 了有机肥料工场化生产 的试 壤结构 、增加土壤肥力 。 点。努力把城市粪便 、 垃圾 送下乡。 １ ． ２多品种 、 多途径发展绿肥 ， 搞好综合利用 。能为土壤提供 丰 ４ 加 强 有 机 肥 料 的 科 技 工 作 富 的养 分 。 首 先要 采取措施加强有机肥料技术 推广和科研 队伍 的建设 ， 稳 １ ． ３搞好城肥下乡 ， 配合有关部 门开展有机肥 工厂化试 点 ， 为农 定充 实专业技术力 量 ， 不 轻易变动他们 的工作 岗位 ， 并 给他们创造 业提供质优 、 价廉 、 方便运输和使用的优质肥 料。 学 习和工作 的条件 ， 提供 必要 的财力 和物力 ， 加强基层技 术骨干 的 １ ． ４改进有机肥积 制的方法 和技 术 ， 提 高工效 ， 减少 损失 ， 增进 培训 ， 不断提高技 术人员素质 。 第二 ， 对当前发展有机肥料工作 中的 肥效 。 技术 障碍 ， 要 抓紧组织科技 、 教育 为 目的 的改进 积肥造肥方 法和施 １ ． ５实行有机肥 与无机肥配合使用 ， 提高化肥 的利用率 。 肥技术 ； 研制 和提高劳动效 率 ， 兼 有多种功能 或价格低廉 的各种有 ２ 土壤 提 升 有 机 质 保 证 措 施 机肥料积造 、 施用机具 ； 开展绿肥作物 的合理种植方式 、 优质新 品种 ２ ． １ 坚持有机肥 与无机肥相结合的方针 的选 育 、 高产 栽培配套技术 以及综合加工利 用技术 的研究 ； 开展对 肥料的作用在于弥补 土壤供肥的不足 ， 保持农作物生长对营养 城市 垃圾农 用及控制标 准的研究 ； 对城镇人 粪尿 、 垃圾 、 畜禽场 、 加 物质的需要 。化学肥 料养 分含 的高 、 见效快 ， 在提高土壤养分浓 度 ， 工厂粪肥 无害化处理 、 浓缩及 工厂化生产等 工艺 、 技术 的研究 。第 供 肥迅速方 面见长 ， 而改 良土壤 的作用较小 ； 有机肥 料在维持 和提 三 ， 科研 、 教学部 门还要 加强有机肥 料的科学研究 与理论方 面的探 高土壤 肥力 方面起 主导作用 ， 但含养分较少 ， 两者配合施用 ， 互相补 讨 。 作者简介 ： 孟庆贵（ １ ９ ６ ４ 一 ） ， 男， 讲师 。 （ 上接 ５ ３页 ） 当计算 出 Ｎ ｕ后 ， 由 ＝Ｎｕ ． Ａ ｌ Ｌ可得换热系 。 网格划分完毕后在相 应区域施加边 界条件 ，利用 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ的热 式中 Ｎ ｕ为努谢尔 特数 ； Ｒ ｅ 为 雷诺数 ； Ｐ ｒ 为 流体普 朗特数 ； Ｐ ｒ ｗ 分析即可以得到主轴套的温度 场分 布如 图 ３ 。 为壁 面温 度时 普 朗特数 ； Ｇ ｒ 为格拉 晓夫 准数 ； 为流 体热 传导 系 图 ３中可知 主轴套温度分 布情 况 ， 主轴套 温度最高 的地方 在前 数； Ｌ为特征尺 寸 ； Ｋ为校正系数 ； 为流速 。 后轴承处 ， 这是 因为轴承处摩擦产 生 了大量 的热量 ， 其 中前轴 承的 ＸＫ ７ １ ７型立式铣 床主轴套材 料采用碳 钢 （ ｗ ０ ． ５ ％） ， 密 度为 温度要 比后 轴承要高 ， 原 因和前后 轴承 的尺 寸有 关 ， 当前后轴 承温 ７ ８ ４ ０ ｋ ￣ ｍ ， 比热 容为 ４ ６ ５ ｊ ／ （ ｋ ｇ ・ ｋ ） ， 导热 系数 ４ ９ ． ８ Ｗ／ （ ｍ・ ｋ ） ； 环 境温 度 升相差太大时 ， 热变形量不 同将导致主轴偏移从而影响加工精度 。 为 ２ ０ ￣ （ ２ ；前 轴 承 采 用 的 是 Ｎ Ａ Ｃ ＨＩ ７ ０ ２ ０ Ｃ ， 后 轴 承 采 用 的 是 ５ 结 论 Ｎ Ａ Ｃ Ｈ Ｉ ７ ０ １ ８ Ｃ， 轴承参数见表 １ 。 有 限元热 分析最关 键就是边 界条件 的求解 ，是 整个分 析 的核 设分析 时环境温度为 ２ ０ ￣ Ｃ，冷却水温度为 ２ ０ ￣ Ｃ，根 据上 述参 心。根 据分 析主轴套 的温度场分布 ， 得知温度最高部位在轴 承对应 数， 将其带人式 （ ４ ） ～ （ １ ０ ） 中便可 以得到主轴套热分析所需要 的边界 处 ， 其 中前轴承处 温升最为明显 ， 针对这一 特点可对前轴 承处进行 条件 ， 从而计算 出主轴套的温度分 布。 冷 却装置 的改进 ， 或者 通过调整前后轴 承数量 ， 使得整个 温度场分 ３ 建 立 实体 模 型 和 划 分 网格 布均 匀 。 在Ｕ Ｇ作 出主轴套实体模 型 ， 如图 １ ， 并对 图形 进行 一定简 化 ， 参考文献 去 除倒 角和退刀槽特征 ， 对结果精度影 响不大 ， ＡＮ Ｓ Ｙ Ｓ划分 网格 时 【 １ 】 杨世铭 ， 陶文铨． 传 热学【 Ｍ 】 ． 北京 ： 高等教 育 出版社 ， ２ ０ ０ ３ ． 采用 Ｓ Ｏ Ｌ Ｉ Ｄ ７ ０单元 ，该单元具有 ８ 个 节点可用 于三 维的稳态或 瞬 【 ２ ］ 蒋兴奇． 主轴轴承 热特性及 对速度和 动力 学性 能影响 的研 究『 Ｄ １ ． 态热分析 。然后采用 自由划分 的方式得 到主轴套 的有 限元模 型 ， 如 杭 州 ： 浙江大学 ， ２ ０ ０ １ ． 图２ 。 ［ ３ ］ 于翔． 主 轴 系统 热 变形 分析 ［ Ｊ 】 ． 应 用 能 源技 术 ， ２ ０ ０ ８ （ １ ０ ） ． ４ Ｘ Ｋ ７ １ ７型 立式数控铣床主轴套的温度场分析
CK5116数控立式机床整机有限元分析
导 轨 接 触 表 面 上 与 粗 糙 度 有 关 的 非 线性 弹性
收稿日期：２ １－０－１ ０１ ９ ３ 基金项目：甘肃省技术研 究与开发专项计划项 目 （０ ４ Ｃ Ａ０ ６ １０ Ｔ Ｙ ３ ） 作者简介：殊海燕 （９ ２ １８ 一），女 ，甘肃 渭源人 ，助理工程 师，硕士 ，研 究方 向为机电一体化技术和有限元分析 。 ［４ 第３ 卷 ８１ ４ 第６ 期 ２ １— （ ０ ２ ６ 下）
Ｃ ５ 数控 立式机床 整机有 限元分析 Ｋ １６ １
Ｆｉ ｔ ｅｍ ｅｎ ｎｉｅ ｅｌ ｔａｎａｌ ｉ ｆ ＣＫ５１１ ＣＮ Ｃ ａｔ ｅ ｗ ｈｏｌ ｙｓ ｓ ｏ ６ Ｉ ｈ ａｓ ａ ｅ
殊海燕 ， 贺成柱 ， 汪孝林 ，侯力轩
ＳＨＵ Ｈａ— ａ ， ｅ ｇ ｚ ｕ Ｗ ｉ ｎ ＨＥ Ｃｈ ｎ — ｈ ， ＡＮＧ ａ ｉ， ｙ Ｘｉｏ ｌ ＨＯＵ ｉ ｕ ｎ ｎ Ｌ． ａ ｘ
是 固 接 在 一 起 的 ，而 是 通 过 螺 栓 、导 轨 等各 种 方
别 覆 盖在 导 轨 的上 下 接 触 面 上 ，结 点 与实 体 单 元
的表 面 结点重 合 。
式 连 接 在 一 起 的 ，如 工 作 台 底 座 与立 柱之 间是 通 过 螺 栓 连 接 ；立 柱 与横 梁 、横 梁 与 刀 架之 间均 采 用 导 轨 连 接 。 而机 床 中应 用 最 广 泛 的 是 由平 面 结 合 面 组 合 而 成 的 导 轨 结 合 面 ，如 矩 形 导 轨 和 山形
特性 则需 要建 立合 适 的接触 单 元模拟 。本 文 采用 ８ 结 点的 等参数 单 元 模拟 结合 部 的 接触 特性 ’ 。图
的接 触 问题 ，为 有 限元 分 析 机 床 结 合 部 的 处理 提
立铣刀三维建模与有限元分析报告
龙岩学院毕业论文（设计）题目：立铣刀三维建模及有限元分析专业：机械设计制造及其自动化作者：欧阳巧云指导教师（职称）: 翁剑成讲师0 一五年六月一日摘要本文以立铣刀的三维建模为基础，建立了一个适用于立铣刀铣削的立体模型，通过切削力指数经验公式研究影响主切削力因素，以此作为有限元研究基础。
应用有限元的分析软件，研究在不同条件铣削作用下（背吃刀量、每齿进给量、主轴转速、悬伸长度等）立铣刀的应力应变情况。
建立立铣刀真实三维模型，进行有限元分析得出结论表明，其他铣削条件保持不变时，背吃刀量越大，立铣刀的应力、应变、位移都同时增大，而且三者增长幅度和增长趋势几乎相同但幅度不同，增长倍数为四倍，；当每齿进给量增加时，立铣刀应力、应变、位移都同时增大，但是二者的增长幅度也是几乎相同但幅度不同，增长倍数为2.3倍；切削速度越大，立铣刀应力、应变、位移会越小，三者的增长趋势相同但是幅度不同，减小速度为0.78 。
由此可得出结论，背吃刀量的变化对主切削力影响最大。
关键词：立铣刀主切削力背吃刀量进给量切削速度AbstractIn this article, it based on the 3 D modeling of end milling cutter that established a three-dimensional model is suitable for vertical milling cutter milling. By cutting force index empirical formula research the factors affecting the main cutting force, while it as a finite element research foundation. Bying Finite element analysis software that we researchedstress strain of the vertical milling cutter under different conditions of milling, turning back, each tooth feeding, spindle speed, overhanging length, etc.Windmill real 3 D model is established, the finite element analysis conclusions show that other milling conditions remain unchanged, turning back. There is greater tvertical stress, strain and displacement of the milling cutter is increased at the same time.And the three growth and growth trend is almost the same but different. The growth in multiples of four times.The vertical milling cutter stress is growth, strain and displacement is increasing at the same time when each tooth feed increases. But, the increase is almost the same but different, multiple of 2.3 times.with the Cutting speed is increase , the stress strain and displacement will be smaller ,meanwhile, the trend of the same but different amplitude.The speed of decrease is 0.78. Thus come to the conclusion that the quantity of turning the biggest influence on the main cutting force.Keywords :Vertical milling cutter The main cutting force Turning back Cutting speed目录1 绪论.3.立铣刀的三维建模.4..2.1 立铣刀几何参数2.2 立铣刀建模立铣刀的有限元分析3.1 立铣刀模型材料属性的确定3.2 立铣刀模型的网格划分3.3 铣刀条件约束3.4 铣刀有限元分析步骤3.4.1 背吃刀量对立铣刀应力应变位移的影响3.4.2 每齿进给量对立铣刀应力应变位移的影响.4. ..4 ..5. . .5 .5. .6. ..7. . .8 .9. .3.4.3 切削速度对立铣刀应力应变位移场的影响.1..0..1...2 ..............绪论立铣刀主要用于数控机床中立式铣床上加工阶台面 、凹槽 、沟槽，也能利用加工 铣削精确一些成形表面 。
数控车床床身结构的有限元分析与优化研究
数控车床床身结构的有限元分析与优化研究数控车床床身是数控机床中的核心部件，其结构的刚度、稳定性和精度直接影响着加工质量和效率。
因此，通过有限元分析和优化研究数控车床床身结构具有重要意义。
一、数控车床床身结构特点及有限元分析方法数控车床床身通常采用铸铁、焊接或组合结构。
铸铁床身具有刚度高、稳定性好、精度高等优点，但存在加工难度大、热稳定性差、易变形等缺点。
焊接床身则可以根据实际需求进行灵活设计，但需要考虑焊接质量、热应力等因素。
组合床身结构则将铸铁和焊接等多种工艺结合起来，具有综合性能优点，但设计难度较大。
有限元分析是一种常用的数学方法，可以预测和优化物体的结构、性能和功能。
在数控车床床身结构的有限元分析中，需要进行以下几个步骤：1. 对数控车床床身进行三维建模。
根据床身的具体结构类型，采用相应的软件进行建模，如ProE、SolidWorks等。
2. 对床身进行网格划分。
将床身分成若干个小单元，每个小单元内部的结构、性质可以视为均匀的。
网格划分后，可以得到一个由许多小单元组成的三维模型。
3. 新增荷载和边界条件。
根据实际使用中的情况，添加力、重力、切削力等荷载，以及支撑方式、约束条件等边界条件。
4. 进行有限元分析。
根据模型和荷载和边界条件，使用有限元分析软件（如ABAQUS、ANSYS等）进行模拟和分析。
5. 优化床身结构。
根据有限元分析的结果，对床身结构进行优化设计，以达到更好的性能、刚度和稳定性等效果。
二、数控车床床身结构优化研究1. 材料选择优化。
床身的材料决定了其刚度、稳定性和热稳定性等特性。
通过对不同材料的有限元分析，可以获得最佳的材料选择结果。
例如，采用高刚性材料可以提高床身的刚度和抗变形能力，采用高热稳定性材料可以减小热变形。
2. 结构优化设计。
床身结构的合理性对于加工精度和效率有着重要的影响。
通过有限元分析和优化设计，可以获得更加合理、稳定的结构。
例如，通过增加加强筋、改变床身截面形状等手段，可以提高床身的刚度和稳定性。
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文章编号:1001-2265(2009)12-0012-05收稿日期:2009-10-12;修回日期:2009-11-06*基金项目:辽宁省工业攻关项目(2008220011)作者简介:王利军(1981)),男,内蒙古乌兰察布盟人,大连理工大学机械工程学院研究生,主要研究方向为机械电子工程及微细加工,(E -m ail)w anglijun810214@163.co m 。
立式微型数控铣床整机结构的有限元分析*王利军,贾振元,卢晓红,贾德峰,吕元哲(大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁大连 116024)摘要:为保证机床的精度满足微细铣削加工实验的要求,必须校验机床整机设计能否满足设计要求。
在Pro /ENGI NEER 软件平台上,根据微型铣床各部件实际结构、尺寸和组成特点建立整机装配几何模型。
通过理论、实验及有限元仿真相结合的分析方法,利用ANSYS 有限元分析软件对所设计的立式微型数控铣床整机进行了静力学分析和动态特性分析,对整机在结构设计上能否满足加工精度设计要求进行了校验,并对今后机床整机设计提出新的方法。
关键词:有限元分析;整机结构;动态特性分析;静力学分析中图分类号:TP206 文献标识码:AF i n ite Elem ent Analysis O f V ertical CNC M illing M achi n e Structure WANG L-i j u n ,JIA Zhen -yuan ,LU X iao -hong ,JIA De -feng ,LV Yuan -zhe(Key Laboratory f o r Prec ision and Non -trad itional M achining Techno logy o fM i n istr y of Educa ti o n ,Da li a n Un i v ersity of Techno l o gy ,Da li a n 116024,Ch i n a)Abst ract :The overall str uctua l desi g n o fm ach i n e too l shou l d be verified to ensure t h e accuracy of t h e m ach i n e too lm eeti n g the require m ents o f m icro -m illi n g m ach i n i n g .Using the Pro /E soft w are the asse m b l y geo m etric m odel of a vertica l CNC m icro -m illi n g m achine too l is estab lished according to the correspondi n g co m ponents 'act u al structure ,sizes and the co m positi o n characteristics .Based on the theoretica,l experi m ental and fi n ite e-l e m ent si m ulation analysis m ethod ,the sta tic ana l y sis and the dyna m ic characteristic ana l y sis of the desi g ned vertical C NC m icro -m illing m achine tool are conducted usi n g t h e ANSYS soft w are ,the overall structual desi g n of t h e m icro -m illi n g m ach i n e too l is analyzed to check w hether it m eets the requ ire m ents o f the m icro -m illi n g m ach i n i n g ,and a nove lm ethod fo r the overall str uctual design o fm achine too l is proposed too .K ey w ords :fi n ite ele m ent ana l y sis ;m achine str ucture ;dyna m ic characteristic ana l y sis ;static analysis0 引言近年来,随着航空航天、国防工业、微电子技术、生物医疗装备技术的发展,民用和国防等领域对各种微小型化产品的需求不断增加,对微小装置的功能、结构复杂程度、可靠性等要求也越来越高,从而使得能够采用更广泛的工程材料、特征尺寸在L m 级到mm 级的精密三维(3D )微小零件的需求日益迫切,因此,微小型化制造技术的研究已经成为现代科学研究的前沿和热点。
由于被加工零件材料要求、三维复杂形状和生产成本的限制,传统的M E M S 和超精度加工技术受到限制。
而基于微型机床系统的微细制造技术以其相对制造精度和生产成本的综合优势受到国内外学术界和工业界的广泛关注。
特别是微细铣削工艺具有加工任意材料、三维复杂形状介观尺度零件的能力[1],微铣床系统的开发和工艺优化研究受到格外重视。
自Duttak 等[2]在1970年首次提出微小型化机床的概念以来,日本[3]、美国[4]、德国[5]及韩国[6]等发达国家在微型机械研制领域取得了丰硕的成果,然而国内对微型数控机床的研究才刚刚起步,目前仅哈尔滨工业大学[7]、南京航空航天大学[8]和上海交通大学[9]等科研院所开展了相关方面的研究。
#设计与研究#组合机床与自动化加工技术本文采用有限元软件对自主设计的精密微型立式数控铣床(如图1),进行了静力学及动态特性分析,该机床总体尺寸为480@260@4003,xyz 工作空间尺寸为50@50@1023,主轴最高转速140000,采用全闭环控制,系统分辨率011,重复定位精度011,设计加工精度为1。
图1 立式微型铣床简图1 整机参数化建模及有限元分析方法本文是在Pro /ENG I N EER 软件平台上,根据各部件实际结构、尺寸建立模型,模型的特征标注尺寸设定为一个变量名并对应一个参数,从而建立了几何实体和参数间的关系,由用户输入的参数名找到对应的特征,进而根据参数值对实体进行自动再生,以得到新的模型,实现参数化设计。
根据有限元分析需求,通过变更模型中的参数来忽略零件上的小螺栓孔、尖角、小孔以及结构结合处的倒圆和倒角。
完成所有部件的三维造型后,对立式微型铣床进行虚拟装配,获得整个立式微型铣床的参数化虚拟样机。
将建立好的参数化模型导入到ANSYS 软件中进行网格划分后,对有限元模型可创建静力学和动态特性仿真分析方案,并根据求解结果来校验立式微型机床整机静、动态位移能否满足设计指标,从而达到校验整机在结构设计上能否满足加工精度设计要求。
所建立的参数化模型设计和有限元仿真分析流程图,见图2。
图2 参数化模型设计和有限元仿真分析流程图2 整机有限元模型的建立211 立式微型铣床模型的网格划分本文利用pro /E 软件的参数化建模以及虚拟装配功能建立的立式微型铣床整机的三维实体模型如图3,将建立好的整机结构模型导入到ANSYS 软件中进行网格划分。
由于该微型机床主要部件多是三维块状结构,所以单元类型采用三维实体结构单元,为提高计算精度,选用带有中间节点的SOLD95单元,定义各装配体材料的弹性模量、泊松比和密度以及体与体之间的联结关系。
将以上所定义的单元类型及材料物理参量分配给微型铣床各部分结构,采用智能分网(Sm art Size)与人工干预相结合的单元划分方式进行,每步分网完成后及时检查单元质量,及时修正,以免计算结果出现大的误差。
最后所获得的立式微型铣床整机有限元模型,共有67517个节点,39411个实体单元,其中包括39103个SOLD95单元和308个COM BI N 14单元。
图3 整机的三维实体模型212 结合部的建模立式微型铣床在实体装配中采用螺栓、导轨、夹持等联接方式将各个部件联接在一起,构成复杂的动力学系统。
各个零部件之间相互结合的部位称为结合部,当这些结合部受到由工作载荷不平衡所引起的动载荷作用时,结合面间会产生多自由度、有阻尼的微幅振动,从而使结合部有可能表现出既有弹性又有阻尼既储存能量又消耗能量的/柔性联接0的特性。
这种特性将对结构整体的动态性能产生明显的影响,表现为使结构整体刚度降低、阻尼增加,从而导致结构固有频率降低,振动形式复杂化。
因此,结合部的建模合理与否直接影响到立式微型铣床整机静力学分析和动态特性分析的正确性。
立式微型铣床中各结合部均为柔性联接,这种联2009年第12期#设计与研究#接方式可以用弹性元件和阻尼元件来模拟,即每一结合点上的每一个自由度方向都用一对弹性元件和阻尼元件来进行联接[10]。
如图4所示,设零件A 与零件B 之间为柔性联接。
零件A 的对接点As 在a 方向的振动位移为a A s =A A s e i X t,所受到的作用力为f A s =F A s e i X t;零件B 的对接点B s 在a 方向的振动位移为a B s =A B s e i X t,所受到的作用力为f B s =F B s e i X t。
故两对接点A s 和B s 的振动位移与所受作用力应满足如下关系:F A s F B s=k -k -kk +i Xc -c -ccA A s A Bs=K JA A s A A s图4 结合部等效动力学模型本文使用ANSYS 中的弹簧阻尼器单元COM B I N 14来连接相互接触的零部件,并根据各结合部具体的结合条件与结合状态,确定结合点位置分布、结合点数目以及每个结合点上的自由度数,从而建立结合部的等效动力学模型[11]。
其中COMB I N 14的刚度与阻尼参数利用吉村允孝积分法确定,结合点处各个方向上的等效弹簧刚度和等效阻尼系数可根据结合部所受平均接触压力等结合状态参数从吉村允孝通用数据库中查得[12]。
图5所示为立式微型铣床整机有限元模型。
图5 立式微型铣床结整机有限元模型3 整机静力学分析机床的动静态特性在很大程度上决定了机床的性能。
首先对所设计的微型铣床有限元模型进行整机静力学分析。
311 切削力分析切削力分析是静力学分析的基础,所研究的微型铣削切削力分析如下:(1)受力分析以直齿圆柱铣刀为例,铣削加工工件时铣刀所受切削力如图6所示。