大学毕设论文大型龙门机床滑枕的三维结构设计及有限元分析含大全cad图纸说明书.docx

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大学毕设论文大型龙门机床滑枕的三维结构设计及有限元分析含大全cad图纸说明书

大型龙门机床滑枕的三维结构设计及有限元分析

[摘要]大型龙门机床具有加工跨距大、加工效率高等特点，适用于大尺寸零件的高精度加工，在航空、船舶、汽车等领域应用广泛。

横梁是龙门机床的主要支承部件，其结构和静力学特性直接影响机床的加工精度。

本课题针对陕西汉川机床有限公司正在研发的某型定梁龙门机床，应用SolidWorks软件对其滑枕进行三维结构设计，然后应用ANSYS软件，对其进行静力特性分析，计算滑枕在切削力和自重作用下的变形和应力，验证设计是否满足机床的精度要求，并绘制设计图纸。

SolidWorks软件是世界上第一个基于Windows开发的三维CAD系统。

资料显示，目前全球发放的SolidWorks软件使用许可约28万，涉及航空航天、机车、食品、机械、国防、交通、模具、电子通讯、医疗器械、娱乐工业、日用品/消费品、离散制造等分布于全球100多个国家的约3万1千家企业。

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由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Creo, NASTRAN,Alogor,I－DEAS, AutoCAD等，是现代产品设计中高级CAE工具之一。

[关键词]滑枕、静力特性、分析、SolidWorks、ANSYS

Three-dimensionalstructureoflargegantrymachineramdesignandTheirFiniteElementanalysis

Abstract:

Largegantrymachineswithprocessinglargespan,highefficiencymachiningforlargesizeprecisionmachiningparts,widelyusedinaviation,marine,automotiveandotherfields.Beamgantrymachineisthemainsupportmember,thestructureandstaticmechanicalpropertiesdirectlyaffectthemachiningaccuracy.

ThetopicfortheShaanxiHanchuanMachineToolCo.isdevelopingafixed-beamgantrymachinetool,SolidWorkssoftwareapplicationsdesignedforitsthree-dimensionalstructureoftheram,andthenusingANSYSsoftware,itsstaticcharacteristicsanalysistocalculatethecuttingforceramanddeformationandstressunderitsownweight,toverifywhetherthedesignmeetstheaccuracyrequirementsofthemachine,anddrawthedesigndrawings.

SolidWorkssoftwareistheworld'sfirstWindows-baseddevelopmentofthree-dimensionalCADsystem.StatisticsshowthatthecurrentglobalreleaseofSolidWorkssoftwarelicensestoabout280,000,involvingaerospace,locomotive,food,machinery,defense,transportation,mold,telecommunications,medicalequipment,entertainmentindustry,commodity/consumerproducts,discretemanufacturing,globaldistributionmorethan100countriesaround30,001thousandenterprises.Intheeducationmarket,eachyearnearly145,000studentsfrom4,300educationalinstitutionsworldwidethroughSolidWorkstrainingcourses.

ANSYSsoftwareisthefinancialstructure,fluid,electric,magnetic,acousticanalysisinoneofthelargegeneral-purposefiniteelementanalysissoftware.UnitedStatesdevelopedtheworld'slargestANSYSfiniteelementanalysissoftwarefromonecompany,itinterfaceswithmostCADsoftware,sharingandexchangeofdata,suchasCreo,NASTRAN,Alogor,I-DEAS,AutoCAD,etc.,isamodernproductdesignoneseniorCAEtools.

Keywords：

Ram,staticcharacteristics,analysis,SolidWorks,AN

1引言

1.1大型龙门铣床的概述

龙门铣床简称龙门铣，是具有门式框架和卧式长床身的铣床。

龙门铣床上可以用多把铣刀同时加工表面，加工精度和生产效率都比较高，适用于在成批和大量生产中加工大型工件的平面和斜面。

数控龙门铣床还可加工空间曲面和一些特型零件。

龙门铣床由门式框架、床身工作台和电气控制系统构成，龙门铣床具有足够的刚性，效率高，操作方便，结构简单，性能全面性等特点。

但是在内外热源的影响下，龙门铣床各部件将发生不同程度的热变形，使工件与刀具之间的相对运动关系遭到破环，对于龙门铣床来说，因为全部加工过程是计算的指令控制的，热变形的影响就更为严重。

1.1.1国内外研究现状

我国龙门铣床产品的发展大致分为两个阶段。

第一阶段在六十年代初至八十年代初，当时国内生产龙门铣床的厂家只有北一、武重等少数几家，产品多为加工宽度l米至2米的普通龙门铣床。

后经过调整产品结构，开始试制数控龙门铣床。

第二阶段从八十年代初改革开放至今，通过引进、消化吸收国外先进技术或与国外技术先进厂家合作生产，国内生产数控龙门镗铣床的厂家数量增多，产品规格增大，技术水平提高。

21世纪的近十年间是我国机床行业发展最快速的时期，由于国家很多重点大型工程的开展，各行业对于大型、重型、超重型龙门加工中心和数控龙门镗铣床的需求量增加，从而大大促进了该行业的快速发展。

从第十一届中国国际机床展（CIMT2009）中，我们可以看到到国内龙门铣床的发展状况：

本次展出了整机重量超过100T的超重型龙门加工中心和数控龙门镗铣床的国内公司有8家之多，分别是沈一、中捷、武重、济二、大连机床、桂林、日发、海天等。

1.1.2国外的研究概况

上世纪80年代欧美日等先进工业国家先后完成了数控机床产业进程。

并致力于科技创新和新产品的研发。

美国英格索尔公司和德国惠勒喜乐公司引导用于汽车工业和航空工业高速数控铣床的发展，日本牧野公司在高效精密加工中心方面做出了巨大贡献，德国瓦德里希公司侧重于重型龙门五面加工铣床的开发，日本马扎克公司研发的车铣中心推进了对高效复合加工机床的发展。

如今五轴联动数控机床代表了数控机床发展的最高水平，五轴联动数控机床的发展重点是：

高速、高精度、环保、智能、复合化。

其中数控龙门加工中心成为多家国际公司研究的重点。

德国兹默曼公司推出的FZ100六轴数控龙门铣床配备采用配备3根回转轴的M3ABC铣头显著地提高数控铣床在加工盒状工件和模具时的生产效率。

美国Ingersoll公司的7m龙门移动式龙门铣采用闭环控制系统，同步误差只有0.0025-0.035mm。

日本大隅的NCR-A56五轴动梁龙门加工中心主轴采用气浮结构最高转速达4000r/min，采用完全热对称结构使机床热变形控制在10μm以下，大大提高机床加工精度。

1.2研究的目的及主要内容

1.2.1研究的目的

针对陕西汉川机床有限公司正在研发的某型定梁龙门机床，应用SolidWorks软件对其滑枕进行三维结构设计，然后应用ANSYS软件，对其进行静力特性分析，计算滑枕在切削力和自重作用下的变形和应力，验证设计是否满足机床的精度要求。

本课题通过对各种龙门铣床的分析研究，将对龙门移动式龙门铣床的横向进给系统进行了详细的、具有改进性的设计。

除此之外，还将利用三维建模软件SolidWorks对所有的零部件做实体建模、模拟装配和运动仿真。

Solidworks是基于特征的实体造型软件，建立的三维模型比二维平面图更加直观、清晰。

最重要的是，可以利用装配模型可以进行后续的装配干涉分析、运动仿真模拟、物性分析、有限元分析、数控代码生成等，还可以在装配环境中对零件进行设计、编辑、修改。

利用这些功能，能有效避免产品设计中经常带来的尺寸不匹配，零件干涉等问题。

1.2.2研究的主要内容

（1）搜集并阅读与本课题有关的资料；

（2）了解大型龙门机床的结构组成和工作原理；

（3）应用SolidWorks软件对某型龙门机床滑枕进行三维结构设计。

然后应用ANSYS软件，对其进行静力特性分析，计算滑枕在切削力和自重作用下的变形和应力，验证设计是否满足机床的精度要求，并绘制设计图纸。

（4）设计成果：

设计说明书一份；滑枕三维结构图；二维零件图。

1.3研究的意义

随着国内经济建设的快速发展，工业企业的不断发展壮大，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。

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。

通过对国内用户厂家的调研了解，多数用户仍采用国外的机床、工装外协加工零件，生产效率低，成本高，生产周期长，运输限制等，许多厂家的设备急待增添和重新改造，如中船南京绿洲、广州船厂、中国一重、中国二重、东方电机、太原重工、江南重工、上海汽轮机厂等厂家都表示急需国产大型数控落地式镗铣机床。

目前，多数厂家资金有限，希望少花钱多办事，且希望售后服务及时周到，而在价格方面，国产数控落地式镗铣机床只有国外同类产品的1/3～2/3。

因此大型落地镗铣（加工中心）的技术研发，在国内有着广阔的市场和发展前景。

“高档数控机床与基础制造装备”已被科技部列为重大科技专项，其目标是到2020年，形成自主开发能力；总体技术水平进入国际先进行列，部分技术水平国际领先；研究开发出若干具有原创性的重大产品和技术；满足国内主要行业对制造装备的基本需求。

大型数控落地镗铣床作为机械装备母机，在造船、工程机械、航空航天、汽车、铁路、电力设备、风电设备、动力设备、制冷设备、石化设备等方面均有着不可替代的作用。

目前汽车行业前景乐观，但是对机床需求并没有随着汽车数量的上升而上扬，中国汽车工程学会装备部部长陈长年就汽车发展对机床装备需求认为：

“汽车制造水平质量取决于装备水平，同时，汽车工业国际竞争又取决于装备先进性制造成本。

”航空航天作为我国高科技水平的代表产业同样对制造技术水平要求很高。

航空航天产业中对产品零件的要求不同于一般工业的要求，其产品往往具备耐高温、高强度、结构复杂、低振动、多工艺要求等特点，这就促使机床加工设备向大重型、高速、精密、智能化等趋势发展。

特别是航空发动机及其零部件的加工对数控机床的要求最为苛刻，精度、振动、转速等各方面要求都较为严格，因此数控立车、数控精密镗铣五轴加工中心等机床应运而生。

发电工业同样成为机床重点服务的行业，其对机床的需求主要是：

发电机和汽轮机的转

子需求数控重型卧式车床、数控叶根槽铣床，定子需求大型数控落地铣镗铣床、

数控龙门镗铣床等等。

结合以上调查可以发现制造装备特别是大型数控落地镗铣床在军用、民用产

业方面的重大作用，因此对其进行专业方面的研究，使此项技术能尽早投入生产

转化成生产力是非常有必要的。

1.4大型龙门铣床简介

龙门铣床简称龙门铣，是具有门式框架和卧式长床身的铣床。

龙门铣床上可以用多把铣刀同时加工表面，加工精度和生产效率都比较高，适用于在成批和大量生产中加工大型工件的平面和斜面。

数控龙门铣床还可加工空间曲面和一些特型零件。

1.5大型龙门铣床的分类

按龙门架是否移动，分为龙门固定工作台移动式（约占90%以上）和龙门移动式（又称桥式）。

桥式龙门铣的特点是占地面积小，承载能力大，龙门架行程可达20米，便于加工特长或特重的工件。

按横梁是否在立柱上运动，分为动梁式和定梁式两种；横梁在高架床身上移动称为高架式。

下图2.1所示为意大利因赛桥式龙门铣

图2.1意大利因赛桥式龙门铣

1.6大型龙门铣床的结构

龙门铣床由门式框架、床身工作台和电气控制系统构成。

如下图2.2所示

图2.2龙门铣床结构图

门式框架由立柱和顶梁构成，中间还有横梁。

横梁可沿两立柱导轨作升降运动。

横梁上有1～2个带垂直主轴的铣头，可沿横梁导轨作横向运动。

两立柱上还可分别安装一个带有水平主轴的铣头，它可沿立柱导轨作升降运动。

这些铣头可同时加工几个表面。

每个铣头都具有单独的电动机（功率最大可达150千瓦）、变速机构、操纵机构和主轴部件等。

卧式长床身上架设有可移动的工作台，并覆有护罩。

加工时，工件安装在工作台上并随之作纵向进给运动。

龙门铣床还有一些变型以适应不同的加工对象。

龙门镗铣床：

横梁上装有可铣可镗的铣镗头，其主轴（套筒或滑枕）能作轴向机动进给并有运动微调装置,微调速度可低至5毫米/分。

可进行镗孔及铣削作业。

②龙门钻铣床：

横梁上装有动力头，通过接杆装钻头或铣刀，可完成钻孔及铣削作业。

龙门铣床床身上装设有X轴导轨，龙门铣床工作台跨越紧固在该床身上。

工作台上方活动跨越架设有龙门架，龙门架还包括有：

龙门架拖板，龙门架拖板活动夹持于该X轴导轨上。

Z轴导轨，装设于龙门架上。

横梁，该横梁装设有一Z轴拖板，横梁通过该Z轴拖板而活动夹持于该Z轴导轨上，横梁上还装设有Y轴导轨。

　铣削装置，龙门铣床铣削装置活动装设于该Y轴导轨上，使该龙门架在数控电路控制系统的控制下，作X、Y、Z三轴的立体空间铣削加工。

该数控龙门铣床具有高精度的铣、钻、镗、削等操作。

1.7大型龙门铣床的性能特点

龙门铣床具有足够的刚性，效率高，操作方便，结构简单，性能全面性等特点。

其具体的性能特点根据种类、型号以及厂家各有不同，与所采用的技术有很大关系。

以之前提到的SK系列三轴数控龙门铣为例，其性能特点在于：

1.立铣头配置TX400重型龙门铣头，双矩形导轨，刚性强；

2.铣头装滚珠丝杠、气动拉刀装置、有伺服电机驱动；

3.侧铣头配置V5型龙门铣头，加装独立润滑装置，升降由普通减速机传动，变频调速；

4.普铣/数控铣一键式转换三轴数控系统，即可编程操作又能利用扩展面板手动操作，在实际机械加工过程中实现性极强；

5.床身进退、横梁上下、立铣头上下均配台湾滚珠丝杠，由伺服电机驱动；

6.配美国马丁公司同步带、同步轮；

7.手持式电子手轮单元，方便三轴对刀；

8.独特的横梁升降安全连锁装置，保证机床的重复定位精度；

9.台标摆线泵组连续润滑，故障率低。

2滑枕结构的设计

2.1滑枕的主要连接部位结构分析

2.1.1丝杠上端固定及丝杠电机的固定

丝杠上端支撑处主要由丝杠驱动电机及丝杠上端支撑来承受电机的重量以及移动箱体移动时丝杠上所传来的力。

丝杠驱动电机通过四个沉头螺钉固定在电机固定板上，然后电机固定板再通过螺钉固定在丝杠电机及丝杠上端支撑上。

丝杠通过丝杠上端圆螺母把力传递给丝杠上端支撑处的轴承，再通过轴承传递给丝杠上端固定处的端盖及丝杠驱动电机及丝杠上端支撑上。

丝杠驱动电机及丝杠上端支撑通过侧面的螺钉及上部的螺栓固定在固定件上，具体结构如图2-1。

图2-1丝杠上端固定

2.1.2丝杠下端固定

丝杠下端固定与丝杠上端固定类似，丝杠下端支撑的侧螺钉固定在固定件上，丝杠下端支撑主要承受来自丝杠上的力。

丝杠通过丝杠上端圆螺母把力传递给丝杠下端支撑处的轴承，再通过轴承传递给丝杠下端固定处的端盖及丝杠下端支撑上。

如图2-2。

图2-2丝杠下端固定

2.1.3丝杠丝母与移动箱体连接处固定

丝杠丝母与移动箱体通过移动固定件与移动箱体固定并带动移动箱体竖直运动。

丝母与移动固定件通过螺钉连接，移动固定件与移动箱体通过侧螺钉连接。

具体结构如图2-3,2-4。

图2-3丝母与移动箱体连接正面示意图

图2-4丝母与移动箱体连接侧面示意图

2.1.4肋板

工程上为提高板的弯曲强度、刚度和稳定性,通常在板上加肋。

诸如土木工程中的楼盖、水工结构中的平板闸门、船舶甲板、钢结构中的各种加肋板等等，在实际应用中,加肋板结构主要用于抵抗弯曲,弯曲刚度要求一般较高;故实际工况为小弯曲挠度,且中面力相对横向荷载较小。

由于加工成本原因,加肋板一般用在比较宽广的区域,横向荷载在板面上分散布置。

2.1.5孔

便于加工，易于保证加工精度，便于测量，是轴类加工最常用的基准，是统一基准的典型工艺。

滑座的M12孔主要用来将滑座固定在横梁上，总共有四块方形凹版，保证了稳定性和精度。

2.2数模的创建

（1）创建凸台一

选取凸台命令，创建草绘如下图3.1所示

图3.1草绘凸台

草绘完成后单击确定，退出草绘，输入凸台高度，如下图3.2所示

图3.2创建的凸台

（2）创建切除一

选择切除草绘如图3.3所示

图3.3切除草图

完成后选择切除尺寸，如下图3.4所示

图3.4创建切除拉伸一

（3）创建切除拉伸二如图3.5所示

图3.5创建切除拉伸草绘

完成后选择到一面，完成后如图3.6所示

图3.6创建切除拉伸二

（4）创建切除拉伸三

选取切除拉伸命令，创建草绘完成后如图3.7所示

图3.7切除拉伸三草绘

完成后选择拉伸到一面，生产的实体如图3.8所示

图3.8生成的切除拉伸实体三

2.3机床滑枕工作过程分析

2.3.1滑枕工作状态分析

随着科学技术的发展，计算机仿真在各个领域都得到了充分的应用。

大型龙门铣床主轴滑枕由于体积和重量的限制，完全用实验手段来进行相关的技术分析，成本高，效率低，有时候甚至不可能做到。

而计算机仿真则可以很容易地对其结构进行精确分析，并可提供可视化的仿真分析结果。

因此用仿真软件可以对主轴滑枕的结构受力以及应变进行实效分析，为大型数控落地镗铣床主轴滑枕的误差补偿分析提供了有效可靠的途径。

通过建模仿真，可提供给设计者优化的过盈量，从而克服了理论计算量大，精度差和实验数据和经验公式难以获取的不足。

通过在虚拟环境中对主轴滑枕自重变形的仿真分析，直观形象地得到滑枕的变形量，以及对其实施补偿后的效果图。

如今很多三维工程分析软件均可实现这一功能，本文选择ANSYS12.0有限元分析软件来进行仿真分析。

2.3.2滑枕工作时受力分析

主轴滑枕作为机床的重要工作部件，要作伸出及回缩的移动，由于其重量大，滑枕的移动会使立柱前、后两条导轨受力不均，并因自重产生弯曲变形，同时加工过程中的刀具作用力，包括镗削力以及铣削力等，均会加剧此变形，这将严重破坏机床的几何精度，也会使机床呈现出非均匀磨损。

滑枕横截面尺寸为1250mm×1250mm长度1960mm。

内部为不规则的空间几何模型。

材料为HT300，滑枕总重量为2196.65千克。

材料弹性模量为130GPa，泊松比为0.25。

忽略温度对滑枕变形的影响，为避免网格划分时网格尺寸相差很大而影响计算结果，简化了结构中的一些圆角和小倒角，由于主轴对滑枕有一定力的作用，把主轴对滑枕作用力等效成均布力加载在轴承座上。

2.3.3滑枕工作时切削力的确定

机床主电机功率为90kW，主轴转速范围为5～1200r／min，主轴扭矩8000N·m，刀具材料为硬质合金，刀具主偏角为60°，前角为5°，工件材料为硬质合金，强度极限为250MPa，铣削深度ap=7mm，进给量fz=0.28mm／z，铣削速度Vc=110m／min,由铣削力经验公式

=

=

=

式中

分别为主切削力、背向力、进给力；

为公式中的系数，根据加工条件由实验确定；

表示各因素对切削力的影响因素系数；

表示为不同加工条件对各切削分力的影响系数。

由以上公式解得主切削力

50227N，背向力

20290N,进给力

15568N

2.3.4滑枕工作理论变形分析

在工程中梁的变形应用较多，因此对其的研究显得十分必要。

在外力作用下，梁的轴线由直线变为曲线。

本文所研究的主轴滑枕工作状态可以近似为悬臂梁结构.滑枕受到外界工作力F以及自身重力均布载荷q的共同作用，在长度为0处，其转角

以及挠度w均为0，即：

w（0）=0（4-1）

（0）=0（4-2）

则最终推导出本文主轴滑枕挠度变形公式为：

（4-3）

式中，

为主轴滑枕在工作过程中所收的切削力；q为主轴滑枕自重所等效的均布载荷；E为主轴滑枕的弹性模量；

为主轴滑枕的工作行程；

为主轴滑枕的惯性矩。

负号只表示方向。

本文所研究的某型龙门机床主轴滑枕整体采用HT300材料，密度为7.8kg/cm^3，弹性模量为130GPa，主轴滑枕总长度为1960mm，其工作行程为1200mm，根据其尺寸以及材料密度可以计算出主轴滑枕在工作行程内的均布载荷q约为5270N/m，带入数据计算可得I=2.8

。

根据推导出的主轴滑枕悬臂梁挠度计算公式：

（4-4）

将相关数据代入公式，计算可得主轴滑枕左端在不同工作行程时的最大挠度。

表4-1

图4-2滑枕工作行程-挠度示意图

由上图表可知，主轴滑枕工作行程在0-1000mm范围内其变形最大为16.34μm满足国家规定的0.03mm/500mm精度要求。

3滑枕有