大型龙门机床滑枕的三维结构设计及有限元分析【含全套cad图纸和word说明书】
大型龙门机床滑枕的三维结构设计及有限元分析摘要大型龙门机床具有加工跨距大、加工效率高等特点，适用于大尺寸零件的高精度加工，在航空、船舶、汽车等领域应用广泛。横梁是龙门机床的主要支承部件，其结构和静力学特性直接影响机床的加工精度。本课题针对陕西汉川机床有限公司正在研发的某型定梁龙门机床，应用 SolidWorks 软件对其滑枕进行三维结构设计，然后应用 ANSYS 软件，对其进行静力特性分析，计算滑枕在切削力和自重作用下的变形和应力，验证设计是否满足机床的精度要求，并绘制设计图纸。SolidWorks 软件是世界上第一个基于 Windows 开发的三维 CAD 系统。资料显示，目前全球发放的SolidWorks 软件使用许可约 28 万，涉及航空航天、机车、食品、机械、国防、交通、模具、电子通讯、医疗器械、娱乐工业、日用品/消费品、离散制造等分布于全球 100 多个国家的约 3 万 1 千家企业。在教育市场上，每年来自全球 4，300 所教育机构的近 145，000 名学生通过 SolidWorks 的培训课程。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。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国 ANSYS 开发，它能与多数 CAD 软件接口，实现数据的共享和交换，如Creo, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD 等， 是现代产品设计中高级 CAE 工具之一。关键词滑枕、静力特性、分析、SolidWorks、ANSYSThree-dimensional structure of large gantry machine ram design and Their Finite Element analysisAbstract:Large gantry machines with processing large span, high efficiency machining for large size precision machining parts, widely used in aviation, marine, automotive and other fields. Beam gantry machine is the main support member, the structure and static mechanical properties directly affect the machining accuracy.The topic for the Shaanxi Hanchuan Machine Tool Co. is developing a fixed-beam gantry machine tool, SolidWorks software applications designed for its three-dimensional structure of the ram, and then using ANSYS software, its static characteristics analysis to calculate the cutting force ram and deformation and stress under its own weight, to verify whether the design meets the accuracy requirements of the machine, and draw the design drawings.SolidWorks software is the world's first Windows-based development of three-dimensional CAD system. Statistics show that the current global release of SolidWorks software licenses to about 280,000, involving aerospace, locomotive, food, machinery, defense, transportation, mold, telecommunications, medical equipment, entertainment industry, commodity / consumer products, discrete manufacturing, global distribution more than 100 countries around 30,001 thousand enterprises. In the education market, each year nearly 145,000 students from 4,300 educational institutions worldwide through SolidWorks training courses.ANSYS software is the financial structure, fluid, electric, magnetic, acoustic analysis in one of the large general-purpose finite element analysis software. United States developed the world's largest ANSYS finite element analysis software from one company, it interfaces with most CAD software, sharing and exchange of data, such as Creo, NASTRAN, Alogor, I-DEAS, AutoCAD, etc., is a modern product design one senior CAE tools.Key words：Ram, static characteristics, analysis, SolidWorks, AN11 引言1.1 大型龙门铣床的概述龙门铣床简称龙门铣，是具有门式框架和卧式长床身的铣床。龙门铣床上可以用多把铣刀同时加工表面，加工精度和生产效率都比较高，适用于在成批和大量生产中加工大型工件的平面和斜面。数控龙门铣床还可加工空间曲面和一些特型零件。龙门铣床由门式框架、床身工作台和电气控制系统构成，龙门铣床具有足够的刚性，效率高，操作方便，结构简单，性能全面性等特点。但是在内外热源的影响下，龙门铣床各部件将发生不同程度的热变形，使工件与刀具之间的相对运动关系遭到破环，对于龙门铣床来说，因为全部加工过程是计算的指令控制的，热变形的影响就更为严重。1.1.1 国内外研究现状我国龙门铣床产品的发展大致分为两个阶段。第一阶段在六十年代初至八十年代初，当时国内生产龙门铣床的厂家只有北一、武重等少数几家，产品多为加工宽度 l 米至 2 米的普通龙门铣床。后经过调整产品结构，开始试制数控龙门铣床。第二阶段从八十年代初改革开放至今，通过引进、消化吸收国外先进技术或与国外技术先进厂家合作生产，国内生产数控龙门镗铣床的厂家数量增多，产品规格增大，技术水平提高。21 世纪的近十年间是我国机床行业发展最快速的时期，由于国家很多重点大型工程的开展，各行业对于大型、重型、超重型龙门加工中心和数控龙门镗铣床的需求量增加，从而大大促进了该行业的快速发展。从第十一届中国国际机床展（CIMT2009)中，我们可以看到到国内龙门铣床的发展状况：本次展出了整机重量超过 100T 的超重型龙门加工中心和数控龙门镗铣床的国内公司有 8 家之多，分别是沈一、中捷、武重、济二、大连机床、桂林、日发、海天等。1.1.2 国外的研究概况上世纪 80 年代欧美日等先进工业国家先后完成了数控机床产业进程。并致力于科技创新和新产品的研发。美国英格索尔公司和德国惠勒喜乐公司引导用于汽车工业和航空工业高速数控铣床的发展，日本牧野公司在高效精密加工中2心方面做出了巨大贡献，德国瓦德里希公司侧重于重型龙门五面加工铣床的开发，日本马扎克公司研发的车铣中心推进了对高效复合加工机床的发展。如今五轴联动数控机床代表了数控机床发展的最高水平，五轴联动数控机床的发展重点是：高速、高精度、环保、智能、复合化。其中数控龙门加工中心成为多家国际公司研究的重点。德国兹默曼公司推出的 FZ100 六轴数控龙门铣床配备采用配备 3 根回转轴的 M3 ABC 铣头显著地提高数控铣床在加工盒状工件和模具时的生产效率。美国 Ingersoll 公司的 7m 龙门移动式龙门铣采用闭环控制系统，同步误差只有 0.0025-0.035mm。日本大隅的 NCR-A56 五轴动梁龙门加工中心主轴采用气浮结构最高转速达 4000r/min，采用完全热对称结构使机床热变形控制在 10m 以下，大大提高机床加工精度。1.2 研究的目的及主要内容1.2.1 研究的目的针对陕西汉川机床有限公司正在研发的某型定梁龙门机床，应用 SolidWorks 软件对其滑枕进行三维结构设计，然后应用 ANSYS 软件，对其进行静力特性分析，计算滑枕在切削力和自重作用下的变形和应力，验证设计是否满足机床的精度要求。本课题通过对各种龙门铣床的分析研究，将对龙门移动式龙门铣床的横向进给系统进行了详细的、具有改进性的设计。除此之外，还将利用三维建模软件 SolidWorks 对所有的零部件做实体建模、模拟装配和运动仿真。Solidworks 是基于特征的实体造型软件，建立的三维模型比二维平面图更加直观、清晰。最重要的是，可以利用装配模型可以进行后续的装配干涉分析、运动仿真模拟、物性分析、有限元分析、数控代码生成等，还可以在装配环境中对零件进行设计、编辑、修改。利用这些功能，能有效避免产品设计中经常带来的尺寸不匹配，零件干涉等问题。1.2.2 研究的主要内容（1）搜集并阅读与本课题有关的资料； （2）了解大型龙门机床的结构组成和工作原理； （3）应用 SolidWorks 软件对某型龙门机床滑枕进行三维结构设计。然后应用 ANSYS 软件，3对其进行静力特性分析，计算滑枕在切削力和自重作用下的变形和应力，验证设计是否满足机床的精度要求，并绘制设计图纸。（4）设计成果：设计说明书一份；滑枕三维结构图；二维零件图。1.3 研究的意义 随着国内经济建设的快速发展，工业企业的不断发展壮大，大型箱体类零件的加工已成为国内急需解决的关键性问题，要求机床生产厂家发展能够制造大型箱体类件加工的落地式镗铣机床，以满足国内重型机械、工程机械、机车车辆、大型电机、水轮机、汽轮机、船舶、核电、大型环保设备等市场发展的需要，加之其它重型机械行业发展的需求，我们可以预见其广阔的市场前景，由此也可见其在国民经济发展中的所起到的重要作用及所处的重要地位。同时为应对当前金融危机，国家制订并出台了装备制造业振兴规划 ，其中一大领域的重大科技专项就将大型数控机床列为振兴规划发展的重大装备，这意味着重型数控机床行业面临着一次发展的机遇，当然也是一次挑战。这项文件是继“高档数控机床与基础制造装备科技重大专项”之后的又一次将大型数控机床列入我国未来几年的振兴规划目标。这项举措既表明了国家对重型机床装备制造的高度重视，又体现了重型机床在国家装备制造业中的重要战略地位。通过对国内用户厂家的调研了解，多数用户仍采用国外的机床、工装外协加工零件，生产效率低，成本高，生产周期长，运输限制等，许多厂家的设备急待增添和重新改造，如中船南京绿洲、广州船厂、
