本科毕业论文M7475B平面磨床立柱的有限元分析 目 录前 言4第一章 绪论61.1 机床有限元分析国内外的研究现状61.1.1 国内的研究现状61.1.2 国外的研究现状71.2 本课题主要研究内容71.3 本课题的意义8第二章 M7475B平面磨床简介及立柱结构受力分析92.1 平面磨床结构简介92.2 立柱磨头受力概况102.2.1 砂轮速度的计算：102.2.2 轴向磨削力的计算：112.2.3 切向磨削力和法向磨削力的计算：112.3 磨床振源频率的确定122.4 本章小结13第三章 立柱结构有限元模型的建立133.1 PRO/E与ANSYS的连接133.2 立柱结构建模方法143.3 立柱有限元模型153.4 本章小结15第四章 立柱结构有限元静力学分析164.1 有限元方法简介164.2 ANSYS软件简介164.2.1 ANSYS的组成及主要技术特点:164.2.2 ANSYS结构分析过程174.3 立柱结构的ANSYS结构刚度分析174.3.1 定义单元类型174.3.2 定义材料属性174.3.3 网格划分184.3.4 施加约束194.3.5 施加载荷194.3.6 计算结果204.4 本章小结25第五章 模态分析255.1 磨床动态特性参数265.2 模态分析的基本思想265.3 模态分析的基本理论275.4 模态分析的一般过程275.5 M7475B平面磨床立柱的模态分析285.5.1 定义单元类型285.5.2 定义材料属性285.5.3 网格划分285.5.4 施加约束295.5.5 分析计算295.5.6 观察结果295.6 本章小结32第六章 立柱结构优化设计336.1 优化设计概况336.1.1 优化设计的发展336.1.2 优化设计的概念336.1.3 优化设计的经济效益336.1.4 优化设计发展方向346.2 机床结构设计准则346.3 结构改进优化356.3.1 立柱结构优化方案一356.3.2 立柱结构优化方案二396.4 本章小节43第七章 结论与展望437.1 结论437.2 论文不足之处447.3 展望44参考文献45致谢46 前 言据权威部门的一项统计资料显示，目前我国乡以及乡以上独立核算的机械行业企业金属切削机床拥有量已达300万台，高居世界各国之首。此外，再加上非独立核算的和乡以下企业的拥有量，机床总数当在500万台左右，这是一种雄厚的生产资源。然而，另一方面，我国机床完好率之低也是惊人的。某机械工业集中地区有关部门的调查显示，中、小型机械企业“带病”工作的机床竟有60%。这是造成企业产品质量低、经济效益差的一个重要原因。磨床加工车间废品率上升，经常使工厂受到严重经济损失，研究分析发现，造成此种后果的重要原因一是磨床完好率差，故障频繁，精度不够，得不到及时的调整与维修，二是在机械工业以及金属切削加工技术不断发展的今天，进行高速磨削提高生产效率以及加工精度已经成为磨床的发展趋势，磨床的一些主要结构部件的前几阶固有频率可能会处于工作频率范围之内，将导致磨床的共振。 “工欲善其事，必先利其器。”改变上述状况，必须改善目前企业金属切削机床基础部件的刚性，提高机床抗震性，只有这样才能从根本解决加工精度和机床寿命问题。因此利用大型有限元分析软件对磨床床身部件进行静力学分析和动力学分析以改善上述情况变得十分必要。ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，能与多数CAD软件接口，实现数据的共享与交换。利用ANSYS软件能进行复杂的应力应变分析的巨大优势，通过大型三维建模软件Pro/ENGINEER建立立柱模型，导入ANSYS软件进行分析，可以清楚并定量的表现出部件变形的情况，从而为提高部件刚性提供理论依据以及数据支持。振动现象也是机床设计中所面临的问题之一，它能造成加工误差，影响零件的加工精度。模态分析主要用于确定结构或机器部件的振动特性。建立机床基础部件三维模型， 利用大型有限元分析软件ANSYS，对机床部件进行模态分析，得出床身部件前几阶固有频率和振型，了解床身部件的各阶振动模态的特点，对于我们研究床身部件的动态特性是十分必要的，有利于机床床身系统的整体设计。提高机床零部件的前几阶固有频率是提高机床刚性、避免共振、降低振幅的有效措施。M7475B型平面磨床是机械工业中广泛使用的重要金属磨削加工工具，采用砂轮端面进行磨削，磨削面积大，立柱结构受力情况极为复杂，本课题用三维CAD软件Pro/ENGINEER对M7475B型磨床立柱结构进行建模，并将三维模型导入ANSYS有限元分析软件以实现数据的共享和交换，利用其强大的分析能力对M7475B型磨床立柱结构进行应力及应变分析，探讨通过改变立柱结构以增加立柱结构刚性, 并基于ANSYS有限元方法对立柱结构进行模态分析，探讨不同结构对提高立柱前几阶固有频率的影响，通过提高前几阶固有频率提高立柱结构抗振性，对提高磨床加工质量和精度有重要意义。第一章 绪论1.1 机床有限元分析国内外的研究现状 国际上早在60年代初就开始投入大量的人力和物力开发有限元分析程序，但真正的CAE软件是诞生于70年代初期，而近15年则是CAE软件商品化的发展阶段，目前流行的CAE分析软件主要有NASTRAN、 ADINA 、ANSYS、ABAQUS、MARC、MAGSOFT、COSMOS等。ANSYS软件致力于耦合场的分析计算，能够进行结构、流体、热、电磁四种场的计算，已博得了世界上数千家用户的钟爱。同时，21世纪ANSYS在机械行业的广泛应用已给传统机械工业带来了新的革命，更高的可靠性设计、更好的抗震性设计等均是ANSYS给机械工业带来的惊喜，特别是在机床结构和抗震性设计方面国内外已有大量成果斐然的研究。1.1.1 国内的研究现状东南大学机械工程系的倪晓宇、易红等利用有限元法对机床床身进行静、动态分析，并使用渐进结构优化算法对床身结构进行基于基频约束和刚度约束的拓扑优化，为 ESO方法在机床大件结构拓扑优化中的应用做了有益的尝试1；内蒙古工业大学的杨明亚等建立立柱的三维有限元模型，利用大型有限元分析软件ANSYS对立柱部件进行了模态分析,得出了立柱前五阶固有频率和振型2；浙江大学现代制造工程研究所的杨晓京等基于ANSYS有限元分析软件对XK640 数控铣床的立柱进行结构优化，比较了四种结构形式的立柱的动力特性，确定了在XK640数控铣床中选用内侧加强筋结构立柱，提高了机床设计水平3；东南大学机械工程系的伍建国等在对M2120A原机床床身动态测试的基础上，建立床身的有限元分析模型，并对床身进行有限元计算，找出原床身设计中的缺陷，从而对各种改进后的机床身再进行有限元分析，通过多方案的比较，得出最优设计方案4 ；东北大学机械工程与自动化学院的张耀满等在CHH6125卧式车削加工中心的研制开发过程中，在产品设计阶段对其采用有限元分析方法，对机床的原有结构进行动力学分析计算、对机床原有机构进行适当改进，提高机床的动力学性能，并对机床进行了试验，对分析结果进行验证5；西安工业大学机电工程学院的朱育权等通过ANSYS软件建立1CL50机床立柱的几何模型，采用四面体单元对立柱进行网格划分，分析了1CL50立柱的一阶、二阶和三阶振型，得出一阶振动为整机摇晃和横断面内弯曲振动，二阶振型为横断面内扭曲振动加垂直方向弯曲振动，三阶振型为横断面内弯曲振动加垂直面内弯曲振动，分析指出了加工过程中应该避开的激振频率，避免一阶振动应加十字型筋板，避免二阶振动应加对角交叉筋板，避免三阶振动应加菱形筋板6。1.1.2 国外的研究现状Mohammed Alfares等研究了磨床动载情况下,对应磨削力的变化情况,以及对工件材料的影响7。N.zhang和I.Kirpitchkenko建立了磨削过程的动态模型,找出了磨削力和模型固有频率变化之间的对应关系,给出了磨削力的估算公式8。1.2 本课题主要研究内容本课题用三维CAD软件Pro/ENGINEER对M7475B型磨床立柱结构进行建模，并将三维模型导入ANSYS有限元分析软件以实现数据的共享和交换，利用其强大的分析能力对M7475B型磨床立柱结构进行应力及应变分析，探讨通过改变立柱结构以增加立柱结构刚性, 并基于ANSYS有限元方法对立柱结构进行模态分析，探讨不同结构对提高立柱前几阶固有频率的影响，通过提高前几阶固有频率提高立柱结构抗振性。1.3 本课题的意义本课题利用ANSYS有限元分析软件对M7475B平面磨床立柱结构进行有限元的静力学分析和模态分析。ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，能与多数CAD软件接口，实现数据的共享与交换。利用ANSYS软件能进行复杂的应力应变分析的巨大优势，通过大型三维建模软件Pro/ENGINEER建立立柱模型，导入ANSYS软件进行分析，可以清楚并定量的表现出部件变形的情况，从而为提高部件刚性提供理论依据以及数据支持。振动现象也是机床设计中所面临的问题之一，它能造成加工误差，影响零件的加工精度。模态分析主要用于确定结构或机器部件的振动特性。建立机床基础部件三维模型， 利用大型有限元分析软件ANSYS，对机床部件进行模态分析，得出床身部件前几阶固有频率和振型，了解床身部件的各阶振动模态的特点，对于我们研究床身部件的动态特性是十分必要的，有利于机床床身系统的整体设计。通过结构优化设计以提高机床零部件的前几阶固有频率是提高机床刚性、避免共振、降低振幅的有效措施。第二章 M7475B平面磨床简介及立柱结构受力分析2.1 平面磨床结构简介平面磨床是用磨削方法加工工件的机床,可以进行不同精度的各种表面的加工。同一台磨床可以一次性完成粗、精磨削,减少了工序间的搬运、装夹等辅助时间,具有较高的生产效率。平面磨床一般由床身、工作台、磨头、横向进给机构、升降机构、液压系统、冷却系统、电气系统等组成9 。 按照磨头主轴位置和结构布局的不同,主要分为卧轴矩台平面磨床 、卧轴圆台平面磨床、立轴矩台平面磨床和立轴圆台平面磨床四种类型。M7475B平面磨床属于立轴圆台平面磨床，有圆形电磁工作台和立式磨头,采用砂轮端面磨削。该机床为高效率的平面磨床，主要是用于粗磨毛坯或磨削一般精度的工件，适用于成批生产。磨头的回转、机动进给和快速升降、工作台的回转和移动，都分别采用单个电机驱动。M7475B平面磨床结构如图所示。图2-1 M7475B平面磨床结构简图2.2 立柱磨头受力概况M7475B平面磨床M7475B平面磨床属于立轴圆台平面磨床，采用砂轮端面磨削。它的立柱结构主要受砂轮架的重力和端面磨削时产生的磨削力，其中端面磨削时产生的磨削力分为切向力，法向力，和纵向进给产生的轴向力。在本课题中估算砂轮架的重力G=1500N,磨削力的相关计算如下：2.2.1 砂轮速度的计算：砂轮速度（m/s）砂轮直径（mm）砂轮转速（r/min）本课题中砂轮直径为450mm，为9