五轴工具磨床设计与虚拟样机分析

摘要

随着工业的不断发展，现代机械制造业对零件产品的要求越来越苛刻，对加工刀具的性能也提出了更高的挑战。现代数控刀具的加工难点主要体现在超硬材料的磨削以及先进型面的拟合，这对刃磨刀具的数控工具磨床提出了较高的水平要求。其中五轴数控工具磨床的发展水平作为国家工业竞争力的重要基石，成为了先进工具磨床的研究热点之一。
　　本文在这一背景下基于某厂商的加工需求，结合虚拟样机技术完成了某型第一代五轴数控工具磨床机械结构的设计，并针对数字化的磨床虚拟样机进行静、动态性能的试验分析，依据分析结果完成了设计方案的优化以及评价工作。其中虚拟样机技术的使用极大地缩短了磨床研发的周期，为该型五轴数控工具磨床的试验样机制造提供了理论基础与数据支持。本文主要研究内容如下:
　　(1)基于模块化的设计思想，研究了五轴数控工具磨床功能模块的创建工作，明确磨床机械结构的设计目录和要求，也为该型磨床后期的系列化产品提供理论基础。
　　(2)依照五轴数控工具磨床的模块划分结果，研究了该型磨床结构模块下各非标准件的设计以及标准件的计算、选型与校核工作;同时基于SolidWorks三维造型平台，探讨并完成了磨床的零部件建模和整机的虚拟装配过程。
　　(3)基于虚拟样机技术，在有限元软件的帮助下，研究了磨床各关键结构部件的静态特性与自由振动下的动态响应，校核设计方案的合理性，为优化设计提供方向依据与指导。
　　(4)重点研究了磨床立柱的优化设计方法，在虚拟样机的实验环境下，通过组合实验、统计分析以及响应面拟合，得到了磨床立柱各优化目标函数对主要设计参数的响应规律，并基于遗传算法寻找到各设计参数组合的最优解。
　　(5)研究了磨床磨削系统装配体的受迫振动响应特性，通过谐响应分析得到了所关注的工况点在一定激励频率范围内振动幅值的响应曲线，预测了低阶的共振频率段，验证了设计方案的合理性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景与研究意义

1．2 五轴数控工具磨床国内外研究现状

1．3 虚拟样机在机床设计上的应用研究现状

1．4 本课题研究的内容

第2章 五轴数控工具磨床的模块设计

2．1 机床设计中的模块化方法

2．1．1 机床模块化开发的优点

2．1．2 机床模块化开发的一般步骤与原则

2．2 五轴数控工具磨床的模块分析

2．2．1 五轴数控工具磨床的总功能分析

2．2．2 五轴数控工具磨床的分功能分析

2．2．3 五轴数控工具磨床的模块创建

2．2．4 五轴数控工具磨床总技术参数确定

2．3 五轴数控工具磨床的模块布局设计

2．4 本章小结

第3章 五轴数控工具磨床的机械结构设计

3．1 五轴数控工具磨床支承模块设计

3．1．1 床身基座设计

3．1．2 磨床立柱设计

3．2 五轴数控工具磨床磨头模块设计

3．2．1 磨削力计算

3．2．2 磨削电主轴选型

3．2．3 磨头模块装配设计

3．3 五轴数控工具磨床回转进给模块设计

3．3．1 力矩电机选型

3．3．2 回转结构装配设计

3．4 五轴数控工具磨床直线进给模块设计

3．4．1 垂向进给模块设计

3．4．2 纵向进给模块设计

3．4．3 横向进给模块设计

3．5 基于SolidWorks的磨床虚拟样机搭建

3．5．1 SolidWorks三维建模软件简介

3．5．2 磨床各模块建模与虚拟装配

3．6 本章小结

第4章 五轴数控工具磨床关键部件的有限元分析

4．1 有限元思想概述

4．1．1 基于有限元思想的静力学分析

4．1．2 基于有限元思想的动力学分析

4．2 床身的有限元分析

4．2．1 床身的有限元静力分析

4．2．2 床身的有限元模态分析

4．3 Y向导轨台的有限元分析

4．3．1 Y向导轨台的有限元静力分析

4．3．2 Y向导轨台的有限元模态分析

4．4 Z向导轨台的有限元分析

4．4．1 Z向导轨台的有限元静力分析

4．4．2 Z向导轨台的有限元模态分析

4．5 磨床立柱的有限元分析

4．5．1 磨床立柱的有限元静力分析

4．5．2 磨床立柱的有限元模态分析

4．5 本章小结

第5章 五轴数控工具磨床立柱的优化设计

5．1 磨床立柱结构参数影响分析

5．2 立柱结构参数的主效应和交互效应分析

5．3 立柱结构参数的显著效应分析

5．4 立柱各性能指标响应面表达式的建立

5．5 立柱优化问题的数学模型

5．6 立柱优化设计的求解流程

5．7 立柱多目标优化结果

5．8 本章小结

第6章 磨床磨削部分装配体的振动分析

6．1 谐响应分析概述

6．2 谐响应分析方法的选择

6．3 谐响应分析模态叠加法的数学模型

6．4 磨削部分装配体的谐响应分析

6．4．1 磨削系统零部件模型的简化

6．4．2 磨削系统各部件装配的接触定义

6．4．3 磨削系统有限元模型的求解分析

6．5 本章小结

总结与展望

1．结论

2．不足与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果