大型五轴车铣复合数控机床的静态结构分析及其在第四次工业革命中的应用

工程科学与技术，国际期刊19（2016）1971短通信大型五轴车铣复合数控机床的静态结构分析C.C. 张正龙，林建宇修平科技大学机械工程系，台中412-80阿提奇莱因福奥文章历史记录：2016年4月22日收到2016年6月9日修订2016年7月22日接受2016年8月1日在线发布保留字：CAE静态施工变形CNC机械床A B S T R A C T计算机辅助工程（CAE）在重工业中的设计和分析经验对于准备实施第四次工业革命的传统企业来说是新颖的。研究目的是为第三次工业革命中计算和自动化的应用提供一个参考。以大型五轴车铣复合数控机床为研究对象，采用CAE分析软件，对该机床的副轴系、主轴系和机床床身进行了线性静态结构、应力和变形分析在数控机床的研究过程中，希望能减轻机床的大部分重量，并保持足够的应力以抵抗外部载荷。利用商业计算机软件SOLIDWORKS® 2014仿真模块，得到了二次轴系、一次轴系和机床床身的静态应力和位移的线性结果和结论©2016 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍重工业机械通常是现代设计的，与传统的设计方法相比，成本更低，时间更短，人力更少，效率更高。Uriarte等人[11]介绍了重工业制造机械的设计、原理和应用。有一些制造手段：切割，车削和铣削等，由Black等人[2]介绍的以最低成本生产的产品是期望的。对于五轴车铣复合计算机数控机床的一般描述Kara和Budak[6]使用正交车铣来优化多任务CNC机床上的加工工艺。Majerik和Jambo[9]使用计算机商业软件CATIA® V5模拟硬铣削过程中的刀具路径。Bohez[3]提出了五轴数控加工中心的运动学，工件由四个轴：X轴，Y轴，A轴，B轴和一个Z轴：刀具。Wagner[13]使用AUTOLISP程序（商业AUTOCAD®组件）模拟5轴CNC加工中的切削刀具路径*通讯作者。电子邮件地址：cchong@mail.hust.edu.tw（C.C.Hong），clchang@mail.hust.edu. tw（C.- L. Chang），george@llmachinery.com.tw（C.- Y.Lin）。由Karabuk大学负责进行同行审查Doyle和Case[4]介绍了用于制造工程专业学生教育的CAE商业软件。Zaeh和Siedl[14]使用有限元法（FEM）来模拟和预测机床的大变形行为。马克勒[7]回顾了1976-1996年利用有限元法对切削加工进行分析和模拟的研究。有一些商业CAE软件：CATIA®的通用结构分析软件、ANSYS®的结构分析软件、SOLIDWORKS®的仿真软件、Creo® 的仿真软件、Inventor®的仿真软件、FreeCAD（开源）的仿真软件、NXTM Nastran®的仿真软件、Abaqus®的仿真软件、HyperSizer®的复合材料分析和结构尺寸确定软件、NFX仿真软件Vivekananda等人[12]使用商业软件ANSYS®（FEM代码之一）计算超声辅助车削（UAT）加工过程的振动固有频率。Ananthavel等人[1]使用数值模拟软件（Matlab®/Simulink）研究功率传输容量系统。Mohammed等人[10]利用ANSYS软件模拟了UNS S31803 双 相 不 锈 钢 焊 接 接 头 的 热 历 史 Euan 等 人 [5] 使 用Matlab®图形用户界面（GUI）软件模拟陶瓷铣刀的静态切削力CAE在重工业中的设计和分析经验对于准备实施第四次工业革命的传统企业来说是新颖的。本研究的目的是为第三http://dx.doi.org/10.1016/j.jestch.2016.07.0132215-0986/©2016 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestchFG小行星1972Hong等人/工程科学与技术，国际期刊19（2016）1971图1.一、大型五轴工业革命针对大型五轴车铣复合机床的构造，利用SOLID-WORKS® 2014仿真模块，获得了给出了应力和位移的最大值，为今后复杂数控机床的建造提供了参考和预测。在进一步的工作中，在对计算模型施加边界条件时，会考虑接触面的非线性状态，这对计算结果有很大的影响除重力外，其它动载荷如惯性力、切削振动和冲击力等都可以转化为静载荷，应用于计算模型中。2. 模拟方法2.1. 数学模型及软件在不考虑惯性力、阻尼力和冲击力的线性静力结构分析中，也不考虑接触面的非线性状态，在计算机程序中采用数学模型的一般矩阵方程求解应力和位移结果如下：1/2M]fugffg1其中，1/2M]是材料刚度矩阵，fug是位移向量，f是外部载荷向量。使用SOLIDWORKS®软件仿真模块进行仿真的步骤如下。第一步，准备和组装所有想要模拟的三维部件（3D）。第二步，选择定义要分析的属性的3D部件的单个材料。第三步，对三维零件的约束设置相应的边界条件。第四步，在三维零件上第五步，网格生成的网格3D零件。第六步，计算。第七步，求出位移、应变和应力结果。2.2. 组装3D零件为了使用商业CAE软件并运行复杂数控机床的静态结果，需要准备大型五轴车铣复合数控机床的装配三维零件，如图所示。1.一、给出了主要零件的尺寸，床身为8470 mm×1463 mm× 783 mm，主轴系统为1190.5 mm× 940 mm × 1463 mm，主轴系统为1190.5 mm× 1463 mm×783 mm860 mm，二次轴系为1397 m× 845 mm× 1426 mm，工件为直径u950 mm、长5000 mm的圆柱体。二次轴系位置可以从0 mm移动到6900 mm，有三个位置（0 mm，4000 mm和6900 mm）用于计算和分析CNC机床的位置。2.3. 3D零件大型五轴车铣复合数控机床需要定义装配三维零件的个体材料。给出了主要零件的材质，床身、轴系和工件均为铸铁。铸铁材料的屈服应力为275 MPa。为了防止数控机床的失效，零件中每种材料的工作应力值应低于其屈服应力值。2.4. 机床床身对数控机床第二主轴位于0 mm、4000 mm和6900 mm三种位置时，机床床身的5种夹紧方式（4、8、14、20和36位置）的边界共计36个职位C.C. Hong等人 /工程科学与技术，国际期刊19（2016）1971-19841973(a) 36个位置夹钳边界条件(b) 初始位移和外部重力载荷图二、数控机床床身夹具共36个（a）36个位置的夹钳边界条件的底视图（b）初始位移和外部重力载荷。(18在每一侧的位置）夹具的机床在数控机床中示出在图2中的第二轴系统定位在0毫米，典型地。在图2（a）中，示出了36个位置夹紧边界条件的仰视图。在图2（b）中，示出了初始位移（在夹具的每个位置处的位移为0 mm）和外部重力载荷（垂直于X-Z2.5. 网格的收敛性研究一个典型的网格与副轴系统在4000毫米的数控机床位置显示在图。3.第三章。为了找到更适合数控机床计算分析的网格数，有必要对网格的收敛性进行有200.00 mm、160.00 mm、155.00 mm、小行星1974Hong等人/工程科学与技术，国际期刊19（2016）1971图三.数控机床的典型网格。表1收敛结果。最大网格尺寸（mm）最大位移值（mm）200.00 8.454160.00 8.463155.00 8.465150.00 8.4728.470美元五种网格的最大尺寸长度分别为150.00 mm和140.00 mm，用于寻找机床床身的最大位移收敛3. 结果和讨论3.1. 收敛性结果表1列出了数控机床中0mm位置处具有二次轴系统的总共36个夹紧位置机床床身的最大位移值的收敛结果。最大尺寸长度为150.00mm的网格网格可以被视为处于良好的收敛状态，并使用这些网格计算应力和位移，以便使用SOLIDWORKS® 2014仿真模块进行进一步的静态计算3.2. 机床床身重力和外部载荷引起的静态结果首先，只考虑机床本身的重力（重13吨）作用在机床上，机床夹具共36个位置的静应力和位移结果如图1和图2所示。 4（a）和（b）。床身最大应力为2MPa，最大位移为0.0038mm其次，为了简单起见，机器床重力（重量13吨）和均匀压力，考虑机床上一定的外载荷（10 MPa）机床床身36个位置夹具的静应力和位移结果见图1和图2。4（c）和（d）。机床床身最大应力值为396 MPa ，最大位移值为0.89 mm由于重力和均压外载荷（10MPa ）引起的应力最大值（ 396 MPa ）大于屈服应力值（275MPa）不建议机床承受大于或超过10 MPa的外部载荷。幸运的是，机床床身上主轴系统、副轴系、工件和端部支架的实际重力载荷总和约为0.1MPa（10t/m2），小于10 MPa，可以考虑安全工况。3.3. 主要部件重力引起的静态结果在精度方面，考虑了机床主要零部件、主轴系统、副轴系统、工件和端部支承的全部重力载荷。图1 - 3是数控机床中带副轴系的床身（重13吨）在X轴0 mm、4000 mm、6900 mm三个位置处，由于重力作用，共36个位置的夹具的静应力和位移结果。5-7，分别。当二轴系位于X轴0 mm处时，应力最大值为154 MPa，位移最大值为0.17 mm，当二轴系移动位于X轴4000 mm处时，应力最大值为137MPa，位移最大值为0.17 mm0.17毫米。为了使模拟结果表达更加清晰，在二次轴系统底线选取9个节点的合成位移（URES）用曲线图表示，如图6（c），它们是从值线性当副轴系移动并位于X轴6900 mm时，应力的最大值为129 MPa，位移的最大值为0.17 mm。C.C. Hong等人 /工程科学与技术，国际期刊19（2016）1971-19841975(a) 机床床身重力应力(b) 机床床身重力位移图四、机床床身在重力和外载荷作用下的应力和位移（a）由于重力引起的机械底座应力（b）由于重力引起的机械床位移（c）由于重力和外部载荷引起的机械底座的应力（d）由于重力和外部载荷引起的机械底座位移X轴0mm、4000mm、6900mm处的二次轴系统重力效应应力最大值均小于屈服应力值275MPa，可认为数控机床处于安全状态。3.4. 五种夹具的静态最大值对于位于X轴0 mm处的二次轴系，小行星1976Hong等人/工程科学与技术，国际期刊19（2016）1971(c) 机床床身在重力和外载荷作用(d) 机床床身在重力和外载荷作用图4（续）机床床身的五种夹具（36、20、14、8和4个位置）边界条件分别见表2和表3。机床床身在36个夹紧边界条件下的最大静应力（154MPa）和最大位移（0.17 mm）均较小。另外四种夹具（20、14、8、4位）边界条件下的静应力和位移机械床在图中示出。放大倍数分别为8- 11 。3.5. 机床床身通常，希望减轻CNC机床的大部分重量并保持足够的应力以抵抗外部载荷。的C.C. Hong等人 /工程科学与技术，国际期刊19（2016）1971-19841977(a) 二次轴系x轴应力：0mm(b) 二次轴系x轴位移：0mm图五、二次轴系X轴应力位移：0 mm。（a）X轴处的二次轴系统的应力：0 mm（b）X轴处的二次轴系统的位移：0mm。图12显示了隧道式机床（重12吨）的减重情况。床体两侧的筋条被去掉，形成隧道状，重量减轻1吨。X轴三处二次轴系统两种机床（重13吨和12吨）共36个位置夹具的静应力和位移比较结果表4和表5中分别示出了由于重力效应而在CNC机床中的0 mm、4000mm和6900 mm的厚度。X轴0mm、4000mm和6900mm处的二次轴系统重力效应应力最大值小行星1978Hong等人/工程科学与技术，国际期刊19（2016）1971(a) 二次轴系x轴应力：4000mm(b) 副轴系x轴位移：4000mm(c) 二次轴系统选定节点的合成位移（URES）图六、X轴处二次轴系应力和位移：4000 mm。（a）二次轴系X轴应力：4000 mm。（b）X轴处的副轴系统位移：4000 mm（c）副轴系统选定节点的合成位移（URES）。C.C. Hong等人 /工程科学与技术，国际期刊19（2016）1971-19841979(a) 二次轴系x轴应力：6900mm(b) 副轴系x轴位移：6900mm图7.第一次会议。二次轴系X轴应力位移：6900 mm。（a）二次轴系X轴应力：6900 mm。（b）二次轴系X轴位移：6900mm。表2比较了五种夹具的静态最大应力最大应力床的夹紧位置共36总共20共14共8共4154 MPa157 MPa155 MPa159 MPa191 MPa小行星1980Hong等人/工程科学与技术，国际期刊19（2016）1971表3比较了五种夹具的静态最大位移最大位移床的夹紧位置共36总共20共14共8共40.17 mm0.17 mm0.18毫米0.21 mm0.49毫米(a) 床的总共20个夹持位置的应力(b) 床总共20个夹紧位置的位移见图8。放大标尺4863床共20个夹持位置的应力和位移。(a)床的总共20个夹持位置的应力。(b)床的总共20个夹紧位置的位移C.C. Hong等人 /工程科学与技术，国际期刊19（2016）1971-19841981(a) 床总共14个夹持位置的应力(b) 床总共14个夹紧位置的位移见图9。带放大标尺4714的床总共14个夹持位置的应力和位移。(a)床的总共14个夹紧位置的应力。(b)床的总共14个夹紧位置的位移小行星1982Hong等人/工程科学与技术，国际期刊19（2016）1971(a) 床总共8个夹紧位置的应力(b) 床总共8个夹紧位置的位移见图10。放大标尺为3934的床共8个夹持位置的应力和位移。(a)床的总共8个夹紧位置的应力。(b)床的总共8个夹紧位置的位移C.C. Hong等人 /工程科学与技术，国际期刊19（2016）1971-19841983(a) 床总共4个夹紧位置的应力(b) 床总共4个夹紧位置的位移见图11。带放大标尺1763的床总共4个夹具位置的应力和位移。(a)床的总共4个夹具位置的应力。(b)床总共4个夹紧位置的位移小行星1984Hong等人/工程科学与技术，国际期刊19（2016）1971module.研究了机床床身在其它四种夹具边界条件下的静应力和位移。数控机床的设计要求减轻机床的大部分重量，并保持足够的应力以抵抗外部载荷。重力作用下的最大应力值确认本论文的完成得到了台湾科技部MOST 103-302-2-004的资助。引用图12. 减少了机械床的重量（重12吨）。表4比较了两种床的最大静应力[1] S. Ananthavel，S. Padmanaban，S. Shanmugham，F.布拉布约埃尔塔斯河谷应用数值模拟研究分析STATCOM集成SMES的可用功率传输能力，工程科学。Technol. J. 19（2016）671-675。[2] S.C. Black，V. Chiles，A.J. Lissaman，S.J. Martill，《工程制造原理》，第三版，爱思唯尔有限公司，1996，pp.1-12号。[3] 李志华，五轴铣床之运动链设计与分析，国立成功大学机械工程研究所硕士论文。J. 马赫工具制造 42（2002）505-520。[4] R. Doyle，K.案例，CAE软件在制造工程教育中的应用，Comput。15（1990）277-288。[5] I.G. Euan，E.北达科他州厄兹蒂尔克模拟静态和动态切削力，最大应力机械床（吨）二次轴系统位置0毫米4000毫米6900毫米用于插入陶瓷铣刀的振动，Procedia CIRP 8（2013）564-569。[6] 法医Kara，E. Budak，车铣工艺优化，Procedia CIRP 33（2015）476-483。表513 150 MPa137 MPa 129 MPa12 150 MPa159 MPa 157 MPa[7] 李国忠，机械加工的有限元分析与仿真（1976 -1996），北京：机械工业出版社。过程Technol. 86（1999）17-44。[8] J. Mao，X.陈威Feng，S.元河，巴西-地杜，一个精密数控车铣加工中心与滚齿能力，精密。Eng. 41（2015）126-134。[9] 杨文，高速切削硬钢时铣刀的计算机辅助设计与制造评估，国立成 功 大 学 机 械 工 程研 究 所 硕 士 论 文 。比较了两种床型的静态最大位移100（2015）450-459。最大位移机械床（吨）辅助轴系统位置0 mm 4000 mm6900毫米[10] A.M. Mohammed，A.S. Kulkarni，P. Sathiya，UNS S31803双相不锈钢接头摩擦焊接的有限元建模和表征，工程。Sci. Technol. Int. J. 18（2015）704-712。4. 结论13 0.17毫米0.17毫米0.17毫米12 0.19毫米0.21毫米0.20毫米[11] L. Uriarte，M. Zatarain，D. Axinte，J. Yagüe-Fabra，S. Ihlenfeldt，J. Eguia，A. 奥拉拉，大型零件机床，CIRP Ann. 制造商Technol. 62（2013）731-750。[12] K. Vivekananda，G.N. Arka，S.K.李文，超声波振动辅助车削加工的有限元分析与工艺参数优化，硕士论文。Sci. 6（2014）1906-1914。[13] E. Wagner，一种新的优化CAD/CAM/CAE技术，用于在5轴CNC机床上加工复杂的3D曲面，Procedia Technol。 19（2015）34-39。本文利用SOLIDWORKS® 2014仿真软件对数控机床的副轴系、主轴系和机床床身进行了静态应力和位移分析[14] M.宰赫，D.陈文辉，一种基于多体仿真的机床加工性能仿真方法，中国机械工业研究院机械工程研究所，2007年，第56期，第 383-386页。