扳手体多工序车削机床的虚拟设计❋

金 燕，王海平

（1.常州工程职业技术学院机械工程技术系，江苏 常州 213164；2.中南大学 机电工程学院，湖南 长沙 410083；3.江苏理工学院 机械工程学院，江苏 常州 213001）

0 引言

传统的专用机床设计往往待样机制造出来后，再通过试验确定相关参数，不仅周期长，而且随意性大，既延长了机床的研发周期，又增加了研制费用。随着三维CAD/CAE/CAM技术的应用与普及，三维设计已经逐步取代了传统的二维机械设计。本文将系统地介绍应用SolidWorks软件［1－2］设计扳手体多工序车削机床的过程和方法。

1 扳手体多工序车削机床三维造型和装配

1.1 设计要求

本机床用于扳手体头部加工，扳手体零件材料为45钢，其结构示意图如图1所示。加工工序为车削，主要加工内容有Φ26.5±0.5外圆、Φ14外圆、Φ26.5和Φ14间的斜台阶面以及孔口1×45°和2×30°倒角及孔口面。

1.2 物理参数设计

根据工件的加工要求，选择工件大头六角内孔和Φ12外圆定位，同时Φ12端面夹紧。由于工件属于细长轴类型，为减小工件的变形，选择立式加工。

查阅相关资料［3］，根据切削要求，同时考虑到多刀加工，为提高机床可靠性及刀具耐用度，确定本机床切削三要素如下：进给量f＝0.2mm/r，切削速度v＝50 m/min，切削深度ap＝2.5mm。

1.2.1 外圆表面切削力和切削功率计算

圆周切削力Fc采用如下指数公式计算：

图1 扳手体结构示意图

切削功率为：

1.2.2 台阶锥面切削力和切削功率计算

刮削台阶锥面时，圆周切削力计算公式为：

其中：SZ为每齿进给量；B为切削宽度；σb为材料强度极限。

功率计算公式为：

加工工件时，机床转速n＝120r/min，每齿进给量SZ＝0.05mm/齿，切削宽度B＝7.6mm。代入式（3）、式（4）计算得，FX＝1 617N，PX＝0.2kW。

车削端面、倒角和车削上方台阶的切削力和切削功率在此不再计算，总切削力通过主切削力的2.5倍估算，总功率通过圆柱面和台阶面切削功率之和的1.5倍估计得出。因此，总功率P为1.5kW，总切削力为4 023.45N。

1.3 机床三维造型

根据分析计算，确定机床主要零件的尺寸并进行三维建模，如图2所示。

1.4 整体装配

各零部件完成造型之后，利用SolidWorks软件提供的测量质量特性进行质量、面积、体积的测量，并完成惯性力矩的计算。根据机床的实际装配关系将已经造型好的各零部件进行装配，装配完成之后，对整体进行动态的间隙检测和干涉检查，从而验证整个设计的正确性［4－5］。

整体装配后的机床三维模型如图3所示 。经过以上检验，证实机构设计完全正确。

本机床主轴支承采用滚动轴承结构，前轴承为滚锥轴承背对背安装，后支承采用圆柱滚子轴承，具有很好的径向刚度。工件由液压油缸进行夹紧，在夹紧机构中设置一弹簧机构以保证夹紧力的恒定。左、右刀架的进给装置通过液压调速阀实现进给速度的调节。刀架的进给轴采用滚动直线导轨支承，进给灵敏、可靠，并且采用了双导轨结构，刚性好，完全满足了加工要求。

图2 机床主要零部件三维模型

2 应力计算

利用SolidWorks为用户提供的COSMOSXpress软件可以对整个设计进行应力分析。在计算机上进行有限元分析，取代了昂贵并费时的实地测试，大大降低了产品成本，缩短了开发时间［6］。通过理论计算确定机床受力，选择材料，添加载荷和约束对所关注的零件进行分析。图4、图5是本次设计刀架的应力和位移的分析结果。从分析结果看，原设计符合加工要求，刀架具有足够的强度和刚度。

图3 机床三维模型

图4 刀架的应力分析云图

图5 刀架的位移分析云图

3 动画仿真

通过SolidWorks为用户提供的COSMOS/motion软件可以在计算机构成的虚拟环境中进行机械产品的装配，并通过计算机动画技术对其进行运动模拟。在机械产品的虚拟装配设计与运动仿真过程中，可以及时发现产品结构中的干涉和运动机构的碰撞等问题，具有经济性、安全性和可视性等特点［7］。

在实际操作过程中，我们还可以根据机床的实际运动情况模拟实际运动，对相关运动副加以约束，实现机构真实的运动仿真，进行动态干涉检查。同时输出速度、加速度、位移、力矩等曲线图以及机构运动的影视文件。

4 结论

本文从参数计算、三维设计、应力分析、动态仿真4个方面对多工序车削机床的设计过程进行了介绍，用SolidWorks软件建立模型，然后运用相关软件进行应力分析，进一步调整尺寸，优化设计，最终得到最优的机床模型。设计过程直观、形象、真实，大大提高了设计效率，同时避免了试制过程中大量的设计更改，保证了设计质量，对此类产品的设计起到了抛砖引玉的作用。

［1］王谦.基于SolidWorks软件的吊钩分析［J］.煤矿机械，2011，32（10）：130－131.

［2］武东志.基于三维软件的锚杆机试验台的设计和应用［J］.技术与创新管理，2008，29（4）：404－410.

［3］张振寰.机械加工工艺设计实用手册［M］.北京：航空工业出版社，1993.

［4］王四新，郭海艳.基于SolidWorks软件的摇摆试验台设计［J］.CAD/CAM 与制造业信息化，2005（4）：53－54.

［5］张坤，庞运海.SolidWorks在转炉炉帽设计中的应用［J］.现代制造技术与装备，2011（4）：32－33.

［6］宋占明，金燕.SolidWorks在螺杆空压机主机设计中的应用［J］.压缩机技术，2007（1）：21－23.

［7］赵永军，王得胜.SolidWorks在装载机工作装置设计中的应用［J］.工程机械，2010，41（2）：46－48.