卧轴距台平面磨床刚度有限元分析及优化

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3.0 陈辉 2024-11-19 4 4 2.93MB 75 页 15积分
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摘 要
卧轴矩台平面磨床的市场占有率比较大，某机床厂生产的卧轴矩台平面磨床
普遍存在加工误差过大的问题。由于其结构复杂，几乎不可能利用传统的手工计
算来进行静态变形的精确分析来改善其刚度特性。利用有限元技术，可以准确地
进行三维几何与物理建模，用它就能够在设计阶段，预测平面磨床的静态与动态
性能，进行最优设计，以较低的成本，较快的速度，设计制造出高品质的平面磨
床产品。其中有限元分析软件 Pro/MECHANICA 采用 p方法技术，在解析过程中，
仿真系统内部会自动拉升位移函数的阶次来提高其解析精度，而且它完全实现了
几何建模和有限元分析的无缝集成，在工程设计领域具有很大的优越性。
本文主要研究了 MA7130/H 型卧轴矩台平面磨床的刚度问题。MA7130/H 卧
轴矩台平面磨床的刚度对平面磨削的加工精度有着非常重要的影响。磨床整体刚
度差引起磨头下沉，在磨削行程范围内，由于磨床整体变形引起的砂轮的变形量
是变化的，从而导致加工误差过大，达不到加工精度要求。
本文运用三维软件 Pro/Engineer 对平面磨床进行了精确三维建模，并应用有
限元分析软件 Pro/MECHANICA 模拟了磨床的实际工况，对其进行了大量的有限
元计算，首先得到由于平面磨床刚度不足而引起的加工误差量的大小，在此基础
上，分析了影响磨床刚度的因素，分别计算了立柱、拖板和磨头体对磨床刚度的
影响程度，找出了磨床刚度的薄弱环节，并对磨床的材料和结构进行了改进，优
化了磨床的刚度，最终将砂轮的相对变形量从 17.3 微米到优化到 9.4 微米，满足
了加工精度要求。
关键词：Pro/MECHANICA 有限元 刚度 优化
ABSTRACT
The market share of horizontal spindle surface grinding machine with rectangular
table is very large and the domestic products are of the bad stiffness. Because its
structure is very complicated, it is almost impossible to make use of traditional
handicraft calculation to carry on precise analysis of the static state transform in order
to improve its stiffness. The technique of finite element analysis can build 3D several
and physics model accurately. It also can predict the static state and dynamic state
performance of the grinding machine in the designing stage to carry on the superior
design with the lower cost and quicker speed so as to design and manufacture the
grinding machine product of the high quality. The finite element analysis software
Pro/MECHANICA adopts p method, and the order of displacement function can be
enhanced in the simulation system automatically to improve the accuracy during the
period of analysis. It completely integrates the modeling and finite element analysis
and has great superiority in the field of engineering design.
This paper mainly researches the stiffness of MA7130/H horizontal spindle surface
grinding machine with rectangular table. Its stiffness has important impact on
machining accuracy of surface grinding. The bad stiffness of the grinder causes the
sinking of grinding head. The changes of deformation of grinding wheel in the entire
grinding range because of the overall deformation of the grinding machine lead to the
big machining error and can not meet the requirement of machining accuracy.
The 3D software Pro/Engineer is employed to build a precise 3D model of the
grinding machine and the actual working condition of the grinder is simulated using
the finite element analysis software Pro/MECHANICA and perform a large number of
finite element analyses on it. First, the machining error caused by the bad stiffness of
the grinder is gained. On this basis, the factors that influence the stiffness of the grinder
are analyzed. The influence degree to the stiffness of the grinder of column and
carriage and grinding body are calculated, and then the weakness of stiffness of the
grinder is found. The material and structure of the grinder are improved and the
stiffness of the grinder is optimized, and the deformation of grinding wheel decreases
from 17.3 μm to 9.4 μm, and finally meets the requirement of machining accuracy.
Key Word: Pro/MECHANICA, Finite element, Stiffness, Optimize
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .......................................................... 1
§1.1 引言 ......................................................... 1
§1.2 机床结构计算的发展现状 ....................................... 2
§1.2.1 机床设计发展的几个阶段 ................................... 2
§1.2.2 机床制造业的发展趋势 ..................................... 3
§1.2.3 机床结构计算的国内外研究现状 ............................. 4
§1.3 机床精度的改进措施 ........................................... 5
§1.4 本文主要研究内容 ............................................. 6
第二章 有限元理论及 Pro/MECHANICA 的实现 .............................. 9
§2.1 有限元理论基础 ............................................... 9
§2.1.1 有限元基本概念 ........................................... 9
§2.1.2 有限元求解的基本步骤 ..................................... 9
§2.1.3 自适应技术－p 法 ......................................... 11
§2.1.4 有限元计算方法比较 ...................................... 12
§2.2 有限元分析软件 Pro/MECHANICA 介绍 ............................ 13
§2.2.1 Pro/MECHANICA 总体介绍 .................................. 13
§2.2.2 Pro/MECHANICA 与其他有限元分析软件的比较 ................ 14
§2.2.3 Pro/MECHANICA 有限元分析工作流程 ........................ 16
第三章 平面磨床的三维建模及装配 ..................................... 17
§3.1 磨床结构的总体介绍 .......................................... 17
§3.2 磨床的三维建模及结构性能介绍 ................................ 18
§3.2.1 立柱 .................................................... 18
§3.2.2 拖板 .................................................... 19
§3.2.3 磨头体 .................................................. 19
§3.3 磨床的虚拟装配 .............................................. 20
§3.3.1 磨床的装配 .............................................. 20
§3.3.2 磨床的装配干涉检查 ...................................... 21
第四章 平面磨床有限元模型的建立及计算 ............................... 23
§4.1 有限元模型的前处理 .......................................... 23
§4.1.1 有限元模型的简化 ........................................ 23
§4.1.2 定义材料 ................................................ 24
§4.1.3 划分网格 ................................................ 24
§4.2 施加边界条件 ................................................ 26
§4.2.1 定义约束 ................................................ 26
§4.2.2 定义载荷 ................................................ 27
§4.2.3 定义接触 ................................................ 27
§4.2.4 做测量点 ................................................ 28
§4.4 有限元计算及结果分析 ........................................ 29
§4.4.1 有限元计算 .............................................. 29
§4.4.2 整体变形 ................................................ 30
§4.4.3 磨头主轴的变形 .......................................... 31
§4.4.4 砂轮的变形 .............................................. 32
§4.5 本文的优化思想 .............................................. 34
第五章 平面磨床刚度的影响因素分析 ................................... 37
§5.1 磨削力分析 .................................................. 37
§5.1.1 磨削力的计算 ............................................ 37
§5.1.2 施加磨削力后的有限元计算 ................................ 38
§5.1.3 结论 .................................................... 39
§5.2 磨头刚度分析 ................................................ 40
§5.3 拖板结构刚度分析 ............................................ 41
§5.3.1 拖板整体刚度分析 ........................................ 41
§5.3.2 改变拖板横向导轨长度 .................................... 42
§5.3.3 改变拖板导轨的跨度 ...................................... 43
§5.3.4 结论 .................................................... 44
§5.4 立柱结构刚度分析 ............................................ 44
§5.4.1 立柱整体刚度分析 ........................................ 44
§5.4.2 改变立柱窗口尺寸 ........................................ 45
§5.4.3 改变立柱壁厚 ............................................ 49
§5.4.4 结论 .................................................... 49
§5.5 磨床的最坏工况分析 .......................................... 50
§5.5.1 最坏工况分析 ............................................ 50
§5.5.2 最坏工况下的有限元计算 .................................. 51
第六章 平面磨床刚度的优化 ........................................... 53
§6.1 材料的改进 .................................................. 53
§6.1.1 磨床材料的改进 .......................................... 53
§6.1.2 改进材料后的有限元计算 .................................. 53
§6.2 拖板刚度的优化 .............................................. 54
§6.2.1 增加拖板壁厚 ............................................ 55
§6.2.2 增加肋板 ................................................ 56
§6.3 立柱刚度的优化 .............................................. 57
§6.3.1 缩小立柱上方窗口 ........................................ 58
§6.3.2 增加立柱壁厚 ............................................ 58
§6.3.3 增加肋板 ................................................ 59
§6.4 磨床刚度的综合优化 .......................................... 61
§6.4.1 综合优化方案一 .......................................... 62
§6.4.2 综合优化方案二 .......................................... 63
§6.4.3 综合优化方案三 .......................................... 64
§6.4.4 结论 .................................................... 65
第七章 总结与展望 ................................................... 67
参考文献 ............................................................ 69
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 71
致 谢 .............................................................. 72
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 引言
机床制造业是一个国家的基础工业，在机械制造系统中占有极其重要的地位。
机床作为机械工业的基本生产设备是工业化生产的一个重要组成部分，它的设计
和制造水平直接影响其它机械产品的生产技术水平和经济效益，己经成为衡量一
个国家制造水平的重要标志。本世纪初以来，随着科学技术的飞速发展，对机床
产品的质量要求越来越高，新材料、新技术的应用也同时有了很大发展，国内外
出现了许多新型设计理论和方法，这些都使得现代机床设计思想进入了一个以试
验研究及理论计算为基础的较高级阶段。研究设计程序、规律及设计思维和工作
方法，不仅寻求产品本身的最佳化，还要实现从产品设计到制造、试验、检验的
全过程以至整个系统的最佳化[1]。
平面磨床作为一种重要的机械零件加工设备，广泛应用于加工尺寸精度和表
面质量要求较高的机械零件。卧轴矩台平面磨床具有精度高、结构紧凑、传动平
稳可靠和通用性好的特点，在精密和超精密工件加工中得到了广泛的应用。随着
现代制造日益向高速、高效和自动化方向的发展，对磨床加工性能的要求也越来
越高。磨床加工精度的主要影响因素有：主轴系统本身的回转精度，刚度和热稳
定性对工件的加工精度有直接影响。
国内磨床的设计方法处于经验、静态和类比的设计阶段，对磨床的整体结构
和动态性能考虑较少，难以满足目前工程上的需要。因此，需要引入现代设计方
法提高机床的结构设计水平与开发效率。卧轴矩台平面磨床的在磨床市场占有率
比较大，某机床厂生产的卧轴矩台平面磨床普遍存在加工误差过大的问题。由于
磨床结构复杂，不易利用手工计算来进行静态变形和动态性能分析，依靠传统的
方法不易计算出其刚度变形以及改善其刚度特性。利用虚拟仿真技术，可以精密
地进行三维几何与物理建模，能够在设计阶段预测平面磨床的静态与动态强度与
性能，进行最优设计，以较低的成本，较快的速度，设计制造出高品质的平面磨
床产品。
目前，对大型复杂整机做有限元接触分析还是一个难题，因为整机模型复杂，
划分的有限元网格数量多，而接触分析计算量又大，所以很难实现。解决方法通
常是将模型尽可能的简化，以减少有限元模型的单元网格的数量，以至于模型简
摘要：

摘要卧轴矩台平面磨床的市场占有率比较大，某机床厂生产的卧轴矩台平面磨床普遍存在加工误差过大的问题。由于其结构复杂，几乎不可能利用传统的手工计算来进行静态变形的精确分析来改善其刚度特性。利用有限元技术，可以准确地进行三维几何与物理建模，用它就能够在设计阶段，预测平面磨床的静态与动态性能，进行最优设计，以较低的成本，较快的速度，设计制造出高品质的平面磨床产品。其中有限元分析软件Pro/MECHANICA采用p方法技术，在解析过程中，仿真系统内部会自动拉升位移函数的阶次来提高其解析精度，而且它完全实现了几何建模和有限元分析的无缝集成，在工程设计领域具有很大的优越性。本文主要研究了MA7130/H型卧...

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