基于NX Nastran的有限元分析在专用螺纹加工机床设计中的应用.pdf

第 1 1 期 2 0 1 1 年 1 1月 机械 设 计 与制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t ur e 6 5 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 1 1 1 0 0 6 5 0 2 基于N X N a s t r a n的有限元分析在专用 加工机床设计 中的应用 术 金 新 尹辉俊 张丽娜 唐 日照 3 螺纹 ’ 广西工学院 机械设计及理论， 柳州 5 4 5 0 0 0 长治清华机械厂 ， 长治 0 4 6 0 1 2 。 无锡商业职业技术学院， 无锡 2 1 4 0 0 0 Ap p l i c a t i o n o f f i n i t e e l e me n t a n a l y s i s i n t h e d e s i g n o f a d e d i c a t e d t r e a d p r o c e s s i n g t o o I b a s e d O n NX Na s t r a n J I N X i n ， YI N Hu i - j u n 1 , Z H A N G L i n a 2 ， T A N G R i z h a o 。 G u a n g x i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， Me c h a n i c a l D e s i g n i n g a n d T h e o r y ， L i u z h o u 5 4 5 0 0 0 ， C h i n a C h a n g z h i Q i n g h u a Ma c h i n e r y F a c t o ry， C h a n g z h i 0 4 6 0 1 2 ， C h i n a 3 Wu x i I n s t i t u t e o f C o mm e r c e ，Wu x i 2 1 4 0 0 0 ， C h i n a 【 摘要】 探讨了在桥梁斜拉索锚具大螺距螺纹加工专用机床的设计研发中， 针对于工件和支撑 杆构成两个连接悬臂梁的特殊结构在加工时所产生的变形对工件的影响， 为了 判断机床设计中的两根 悬臂梁组成的混合梁结构能否满足实际加工需要， 对其进行有限元分析通过 N X N a s t r a n 有限元分析对 悬臂 梁结构进行 了静力分析 ， 通过在最大载荷作用下变形情况进行分析 ， 对悬臂 梁结构的强度和刚度 进行检验， 最终验证 了大螺距螺纹专用机床设计的合理性。 关键词 有限元； 悬臂梁； 螺纹加工 【 A b s t r a c t 】 T h e d i s c u s s e s t h e i n fl u e n c e o f t h e d ef o r m a t io n o c c u r r e d d u r i n g t h e m a c h i n i n g of t w o l i n k - i n g c a n t i l e v e r s f o r i t s s p e c i a l s t r u c t u r e u p o n t h e w o r k p i e c e i n d e s i g n i n g a n d d e v e l o p i n g s p e c i a l t o o l s f o r mach i n i n g anc h o r a g e d e v i c e ofs t a y c a b l e s o f b r i d g e w i t h c o a r s e p i t c h t h r e a d ． The c ant i l e v e r i s c o m p o s e d o f s u p p o r t r o d and w o r k p i e c e ． I n o r d e r t o d e t e r mi n e w h e t h e r t h e h y b r i d b e a m c o m p o s e d of t w o c a n t i l e v e r s s 一 i s fie s t h e p r act i c al mach i n i n g r e q u i r e me n t i n t h e d e s i gn ,fin i t e e l e m e n t a n al y s i s i s e x e c u t e d , i ． e ． s t at i c f o r c e anal y s i s f o r t h e s t r u c t u r e of c a n t i l e v e r s i s d o n e t h r o u g h N X N a s t r an F E M． The s t r e n g t h a n d s t if f n e s s of t h e c ant i l e v e r s t r u c t u r e i s t e s t e d t h r o u g h a n a l y z i n g t h e d e f o r mat i o n u n d e r m a n ． 1 o a d ． T h u s t h e r ati o n ali t y o f t h e d e s i gn r t h e s p e c i al t o o l w i t h c o a r s e p i t c h t h r e ad i s v e r ifi e d ． Ke y wo r d s F i n i t e e l e me n t ； Ca n t i l e v e r b e a m； T h r e a d ma c h i n i n g 中图分类号 T H1 6 ， T G 6 2 文献标识码 A 1引言 桥梁斜拉索锚具大螺距螺纹加工专用机床， 如图 1 所示。 主 要是针对加工斜拉锁桥梁上的整束挤压拉索两端 T r 3 0 0 X1 2 1 0 0 0的梯形螺纹而设计的机床。 加工时采用工件固定不动， 刀具 运动的加工方式I 一1 。 为使机床的整体结构更加紧凑， 主轴采用空心 轴结构， 在加工时可包容工件12 1。 此专用机床专门针对加工螺纹长 1 0 0 0 IT l m， 工件伸长约 1 2 0 0 I B m， 属典型的悬臂梁结构。为增加系 统刚性 ， 将工件端面留有工艺台阶， 用支撑杆上安装液压卡盘夹 持工艺台阶， 这样既可以增加系统刚性又可以对工件进行定位， 支撑杆伸长约 1 4 0 0 m i l l ， 同样属于悬臂梁结构。 2模型建立 在这种大的悬臂梁结构中重力是不能忽略不计的。工件伸 长 1 2 0 0 mm， 直径 3 0 0 iBm以及支撑杆伸长 1 4 0 0 m m已经被加工 要求及机床主轴箱固定不易改变。 支撑杆的直径影响整个系统的 刚性 ， 支撑杆的直径变小， 本身刚性减弱 ， 对工件的支撑作用减 小； 当支撑杆直径加大时， 自身重力加大， 自身的刚性增加， 但对 系统的载荷也增加了， 对工件的支撑作用不一定增加。为了判断 机床设计中的两根悬臂梁组成的混合梁结构能否满足实际加工 需要， 对其进行有限元分析 。 图 1桥梁斜拉索锚具大螺距螺纹加工专用机床 实际加工中工件与液压卡盘及支撑杆之间没有相对运动， 如图 2 所示。在建模时将它们简化为个音 件。实体 型用U G N X 6 ． 0 建 ★来稿 日 期 2 0 1 1 - O 1 0 5 ★ 基金项目 桥梁斜拉索大螺距加工螺纹加工专用机床关键技术的研究 2 0 0 9 1 0 H 0 5 9 4 O 8 O 2 M 0 3 6 6 金 新等 基于N X N a s t r a n 的有限元分析在专用螺纹加工机床设计中的应用 第 1 1 期 立，先做圆柱 3 0 0 m m 1 2 0 0 m m为工件，工艺台阶为 b 1 6 0 min x 3 0 mm， 液压卡盘采由 b 2 5 0 m m x 1 2 0 mm圆柱及三个 2 0 mm宽 3 0 m m 长的爪牙简化，支撑杆外径为和液压卡盘配合选取 q 5 2 5 0 m mx 1 4 0 0 mm， 内径设为变量 D 。 图2工件与支撑杆简化模型 3载荷的分析计算 桥梁斜拉索锚具大螺距螺纹加工专用机床虽然加工时采用 工件固定不动， 刀具运动的镗削切削方式。 但其切削原理与车削 螺纹相同切削力 F的计算可按车削螺纹的公式计算。 如图 3 所示， 工件受的切削力主要是圆周上的， 在加工过程 中切削力的方向是随时间变化的， 而重力始终竖直向下的， 为了 便于分析取A、 B 、 c、 D四个象限点， 分别分析工件受力变形情况。 当刀具刚切人工件时，切削力引起工件变形最大。当刀具切够 1 0 0 0 m m准备离开工件时， 切削力引起工件变形最小。所以分析 时应将切削力载荷加在工件的端面上。 图 3切削力与重力关系 在加工螺纹时， 切削力 的计算公式如下 Ⅳ _ 26 [器 ] 12 0 0 1 -6 5 N 工件所受的重力 G 7 ． 8 2 x 3 ． 1 4 x 1 5 0 1 5 O 1 2 O 0 9 ． 8 1 ／ 1 0 0 0 0 0 0 6 0 0 0 N 支撑杆所受的重力 W 7 ． 8 2 x 3 ． 1 4 x 1 2 5 x 1 2 5 一 D x D 1 2 0 0 9 ． 8 1 ／ 1 0 0 0 0 0 0是个变 量， 与支撑杆内径 D相关联。 4 N X N A S T R A N D E S I G N进行线性静力 学结构分析 将模型在运行设计仿真菜单，选择 N X N a s t r a n进行分析[5 3 。 设置工件的材料属性， 新建材料为 4 0 C r ， 各向同性， 杨氏模量 E 为 2 1 1 G P a 、 剪切模量 G 为 8 0 ．8 G P a 、 白 松比 “ 为 0 ． 2 7 7质量密 度为 7 ．8 7 E 0 3 k g ／ m 3 ， 抗剪模量 N ／ m 2 8 ． 2 8 E 1 0张力强度 N ／ m 2 9 ．8 0 E 0 8 ， 屈服强度 N ／ m 2 7 ．8 5 E 0 8 。 在 f e n x i s i m1 ． s i m 下， 设置载荷类型为力， 切削力的加载位置分别为端面的A、 、 c 、 D各点 ， 幅值 1 2 0 0 0 N的载荷 ， 重力方向指向Y负向。约束类型为 固定顶面约束 ， 约束平面为工件和支撑杆两外端面。 划分网格越 小得到的解越精确， 但相对运算量会成倍增加， 根据实际将网格 划为尺寸 2 5的3 D四面体网格 C T E T R A 1 0 ， 求解器选为 N X N A S T R A N D E S I G N进行线性静力学结构分析， 结果如图4所示。 图4内径 1 8 0 m m载荷加A点受力变形位移云图 在线性静力学结构分析过程中， 通过更改模型中内径变量 D， 以及施加载荷位置的不同， 得到工件的变形量 ， 如表 1 所示。 由表 1 得支撑杆内径在 0 ～ 2 o o 变化时， 工件在四点最大变形量 由5 ． 8 5 5 E 一 0 0 2 增加到 6 ． 5 1 0 5 E 一 0 0 2 ， 变化不大， 当内径取 2 0 0和 2 4 0时变形量变化幅度加大。支撑杆内径取 2 0 0 mm时质量是实 心质量 3 6 ％， 是内径取 1 8 0时质量的7 5 ％。故支撑杆选取为外径 2 5 0 m m内径 2 0 0 m m的管。 表 1不同直径支撑杆在各点施加载荷下工件的 最大变形量 单位 e O 0 2 mm 在仿真结果中， 通过对工件端面最大变形量点在XY Z方向 变形量的分析， 采集的数据 ， 如表 2 所示。 表2支撑杆内径为 2 0 0 mm时。 工件变形量 切削力和重力在 、 y方向引起的工件加工误差， 影响表现工 件工件尺寸误差和圆度、 圆跳动等形状误差上。 通过表2的数据测 算， 在实际加工 R1 5 0的圆时， 实际加工圆的半径为 R 1 5 0 ．0 1 0 6 4 ～ 1 4 9 ． 9 9 4 4 9 ， 其尺寸误差为 1 6 ． 1 5 tx m加上 向导轨误差 2 0 ／ m小 于 G B ／ I 5 7 9 6 4 梯形螺纹公差中规定的外螺纹大经公差 T d 6 0 0 m中经公差 T d 3 8 2 3 1 m及中经公差 T d 2 5 3 0 m； 圆度误差 为 1 6 ． 1 5 tx m小于G B ／ F 1 1 8 4 - 1 9 9 6 形状与位置公差 未注公差 中 规定的 I 1 _ 7 级精度的 1 7 m；圆跳动误差为 0 ， 0 1 1 m m小于 G B ／ T 1 1 8 4 1 9 9 6中中H级的0 ． 1 I B m 。所以该种加工方法能满足实际 加工需要， 验证了大螺距螺纹专用机床设计的合理陛。 第 l 1 期 2 0 1 1 年 1 1月 机械 设 计与 制造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 6 7 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 1 1 1 - 0 0 6 7 0 3 双圆弧及直线拟合技术及其在数控切割 中的应用 木 曹德列 陈 奇饶运清 华中科技大学 数字制造装备与技术国家重点实验窒， 武汉 4 3 0 0 7 4 Hy b r i d a p p l i c a t i o n 0 f b i a r c f i t t i n g a n d I i n e a r f i t t i n g i n CNC C A O D e l i e ， C HE N Q i ， R A O Y u n - q i n g T h e S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f D i g i t a l Ma n u f a c t u r i n g E q u i p me n t a n d T e c h n o l o g y ， H u a z h o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Wu h a n 4 3 0 0 7 4 ， C h i n a ； 【 摘要】 提出 双圆 弧拟合和直线拟合混合应用的算法， 解决 数控切割中 的拟合问 题。 获取切割对 }象轮廓的离 散点后， 使用“ 逐点尝试回溯法” ， 在满足精度和不破坏轮廓形状的前提下用一直线或者圆 { l弧或者圆尽可能拟合更多的点， 并且尽量保证拟合后的轮廓光滑性。根据离散点的切向变化和离散点 i }前后连线的斜率来识别轮廓的拐点并且保留该拐点， 对拐点的切向进行拟合前和拟合后的处理保证轮 { l廓形状不变。结果表明， 该算法性能良 好， 拟合后的矢量化结果在数控切割应用效果非常 好。 i } 关键词 双圆弧拟合； 直线拟合； 数控切割系统 l 【 A b s t r a c t 】 O n e a lg o r i th m of t h e h y b r i d a p p l ic a t i o n of b ia r c fi tt in g a n d li n e a r fi t t in g is p r o p o s e d i n i t 2 }t o s o l v e t h e fit t i n g p r o b l e m i n C N C ．a f t e r g e t t i n g t h e d i s c r e t e p o i n t s o f t h e c o n t o u r s t o b e p r o c e s s e d ， “ P o i n t - ； is e 扩 ial an d 6 tra c k in g m e h d “ w a s p ro p o s e d to m a k e n o r e p 。 to b e fi tte d 砒 口 lin e 。 r 帆 a rc 。 r { c i r c l e i n t h e p r e m is e ofmee t i n g th e acc u r a c y and t h e s m o o th o f c o n to u r ．A c c o r d in g t o t ang e n t i a l v ar i at io n of l t h e d i s c r e t e p o in ts a n d th e s l o p e of l i n e b e f o r e a n d af t e r t h e d i s c r e t e p o i n ts ， t h e i n fl e c t i o n p o i n t of t h e c 帆一i t o u r i s r e c o g n iz e d a n d r e m a i n e d ， w h i c h t ang e n t i a l s h al l b e p r o c e s s e d b e f o r e and af t e r fi t t i n g in o r d e r t o e n - l s u r e t h e c 0 n to u r f o r t h e a ln e ． T h e r e s u h i n d ic at e t h at th e ，孔 e th o d g o 。 d w h ic h a p p l ic at i。 n ef f e c ￡ of v e c o r 一 { ； n s I ts af t e r fi t t i n g i n c N c is e c e l le 耽 { ； K e y w o r d s B i a r c fi t t i n g ； L in e a r fi t t i n g ； C N C i 中图分类号 T H1 6 ， T U 5 2 8 ． 0 6 3 ． 4 文献标识码 A 1引言 2直线和双圆弧拟合算法 随着广告业的发展 ， 广告切割业务随之增多。而在数控切割 在数控切割加工中， 只有直线和圆弧才能直接进行， 对其他 加工中， 只有直线和圆弧才能直接进行， 对其他任何曲线的加工 任何曲线的加工都必须首先用直线或圆弧进行拟合。 而在拟合过 都必须首先用直线或圆弧进行拟合。 程中， 如果只用直线拟合， 就不能保证拟合后轮廓的光滑性， 而且 要提高对广告业对象的切割效率 ， 必须对对象轮廓离散点 在曲线曲率较大的情况下使用直线拟合， 元素的压缩量并不明 进行拟合， 压缩其元素的数量。 广告对象作为复杂的切割对象， 对 显。 如果只用单圆弧拟合， 同样不能保证拟合后轮廓的光滑性。 如 其进行拟合有着特殊的要求， 不仅保留对象的形状 ， 拟合后的各 果只使用双圆弧拟合， 那么在遇到所需拟合的离散点在同一直线 段元素首尾相连不断开， 还要避免对象的拐角被拟合成圆角和拟 的情况， 拟合后圆弧半径将会无穷大， 这是错误的。 所以使用直线 合后各元素连接尽量光顺。 和拟合相结合的算法， 根据实际情况判断轮廓离散点用直线还是 ★ 来稿 日 期 2 0 1 1 - 叭一 1 0 ★ 基金项目 江苏省科技支撑计划项 目 B E 2 0 1 0 1 7 0 5结论 在机床结构的设计计算中，传统方法是设计人员依据材料 力学原理、 结构力学方法进行结构的设计与校核。这种方法由于 受工作量限制， 只能计算几个理论上认为危险的截面， 计算精度 受到限制。通过用 u g和 N X N a s t r a n软件 ， 以数字化的方式进行 建模仿真、 确认和优化产品及其开发过程。通过在开发周期中较 早地运用数字化仿真性能， 可以改善产品质量， 同时减少或消除 对于样品的耗时的设计、 构建， 以及对变更周期的依赖。 充分发挥 了 C A D ／ C A E在实际中的应用 。 参考文献 [ 1 ] 张丽萍影响数控车床主轴精度因素的研究[ J ] 肌械设计与制造， 2 0 0 7 ． [ 2 ] 姜燕， 管螺纹加工机床的研制[ D ] ．大连 大连理工大学出版社， 2 0 0 9 ． [ 3 ] 史安娜， 刘春时． 数控机床主轴部件变形的有限元分析[ J ] ．组合机床与 自 动化加工技术， 2 0 0 5 ， 2 6 2 2 6 2 7 ． [ 4 ] S C H U L Z H ．E x p e r i e n c e w i t h P o l y m e r C o n c r e t e i n M a c h i n e T o o l M a n u f a c t u r i n g [ J ] ．P o l y m ．C o n e r ．P r o e ． I n t ． C o n g r ． 1 9 9 6 6 7 3 7 6 ． [ 5 ] 杨曼云． 基于有限元分析技术的V K 5 0 数控床身铣机床底座设汁_ J ] ．机 床与液压 ， 2 0 0 8 ， 1 ， 3 6 1 6 2 8 3 ． [ 6 ] 余阿东， 李翔龙， 阮理想， 尹碧菊， 曹金鄂． 基于开放式数控系统的高速 铣齿机床的设计[ J ] ．机械设计与制造， 2 0 0 9 ．