基于ANSYS數控車削加工機床改造的教學研究

范紅偉，艾青牧，王雨虹，李家新，黃仁華

（哈爾濱工業大學，黑龍江 哈爾濱 150027）

1 前言

新工科背景下，對人才工程實踐能力提出了新需求指向，這要求工程技術人員必然要有豐富的實踐經驗，助力我國經濟轉型，尤其對于工科高校而言，學生的工程實踐能力培養必須要得到重視，培養一批敢于實踐、勤于動手的新工科人才，才能更好支持創新驅動發展、“中國制造2025”等一系列國家級舉措。

哈工大工程創新實踐中心（以下簡稱“中心”）創立于2017年6月，以工程訓練實踐課程為基礎，強化學生創新創業實踐能力、拓展高端裝備智能制造人才培養功能為原則，中心對學生培養的新要求是：厚基礎、強實踐。

數控車削作為工科專業的一門基礎工程訓練實訓課，主要培養學生的實際操作能力，提升實踐能力，但目前數控車削實踐教學中還存在著一定的問題需要解決，如：加工后產品自由掉落導致易發生磕碰現象。

國內外研究學者對數控車削實踐教學進行了大量研究工作，如孫立峰針對數控車工實訓教學進行了研究和探索，指出數控車削實踐教學中的一些問題：教學模式單一，硬件設備和教師能力不足，缺乏明確的教學方向，并提出了一定的改革對策。盧燕基于翻轉課堂的數車實訓課堂教學模式改革進行了探索，指出數控車削實訓中出現撞刀現象，提出線上與線下混合教學模式以避免數車實訓教學中的撞刀現象，更好地維護數控車床。

雖然專家學者對數控車削實訓教學改革進行了大量研究，但是針對實訓教學中產品自由掉落導致易發生磕碰現象的研究尚且還很少，為解決此問題，本文提出改進方案并采用有限元方法對改進結構進行了詳細分析。

2 改造結構工作原理

數控車削實訓教學設備改進結構形似箱體，故稱其為箱式接料裝置，該裝置安裝于數控機床內部左側，由接料盤、連接桿、萬向節及支撐底座組成，如圖1所示。支撐底座緊固在數控機床內部左側，連接桿通過萬向節連接在支撐座上并可沿萬向節上下旋轉，連接桿根據實訓產品的長短可進行伸縮，實訓產品加工完成后直接掉落在接料盤中。

圖1 數控車削實訓教學設備改進結構

3 有限元分析

3.1 建立三維模型

該箱式接料裝置主要用來裝載直徑D=φ30～40mm的圓柱形實訓產品，箱式接料裝置水平最大長度L=100mm，豎直最大長度L=70mm，采用UG三維建模軟件繪制箱式接料裝置的模型，再導入ANSYS建立完整的數值模型。如圖2所示。

圖2 箱式接料裝置三維模型

3.2 建立有限元模型

在ANSYS Workbench中的Static Structural靜力分析模塊中導入模型，設置材料為45號鋼，材料參數如表1所示。本文中單元格劃分采用正四面體方法進行劃分。在保證計算應力進度的同時保證工作效率，將單元格尺寸設置為5mm，網格劃分完成后共計14962個單元，30341個節點，如圖3（a）所示。

表1 有限元參數設置

3.3 箱式接料裝置靜力學分析

按照實踐教學中的實際工況要求，對箱式接料裝置的底座施加固定約束，在接料盤部分施加Z軸負方向大小為500N的力，受力圖如圖3（b）所示，在對箱式接料裝置的總變形和總應力進行求解之后，得到計算結果，最大總變形為0.94206mm，如圖3（c）所示，最大應力為161680MPa，如圖3（d）所示。

圖3 靜力學分析

3.4 箱式接料裝置疲勞分析

為了掌握箱式接料裝置的使用時間，提高其工作的可靠性和安全，對其進行疲勞分析。零部件材料在循環應力和應變作用下，在部分位置發生永久性累積損傷并擴展，經循環次數發生裂紋或突然發生全部斷裂的過程，最后斷裂的現象叫做疲勞破壞。疲勞問題是目前制造領域面臨的一個非常普遍而頭疼的問題。而箱式接料裝置也是在不停的做往復運動，因此有必要對箱式接料裝置進行疲勞分析。

（1）疲勞求解。疲勞分析是在前期靜力學分析基礎上進行，對箱式接料裝置做疲勞分析，在靜力學分析模塊中右鍵單擊solution，插入疲勞分析，在類型中選擇時間，疲勞強度因子設置為1，并選擇平均應力修整理論進行計算，如圖所示。在疲勞分析的工具中插入疲勞壽命和疲勞安全系數，并設置安全系數下的設計壽命為1.0×106cycles，完成之后提交計算機求解。（2）疲勞結果。選擇疲勞分析計算結果，單擊Life，接料裝置的疲勞壽命值，如圖4a所示，最小壽命為55931次，如果每天工作20次，每年工作365天，則經計算該接料裝置的最小壽命是7年。對于安全系數圖如圖4b所示，從安全系數圖中可以得到接料裝置的最大安全系數為15。經過疲勞分析可知優化后的接料裝置是滿足設計需要的。

3.5 箱式接料裝置模態分析

為優化設計結構尺寸和改變設計質量，對該結構做了模態分析。模態分析實質是將模型中物理坐標轉化為模態坐標，采用有限元矩陣方程進行求解，可得到模型的固有頻率和振型圖。靜力學分析完成后，在ANSYS Workbench軟件中創建模態分析模塊。6階振型圖和數據如圖4所示，其固有頻率和偏移量如表2所示。

表2 模態分析

圖4 疲勞分析

利用三維建模方法得到箱式接料裝置仿真分析模型，通過有限元技術對其進行了分析，驗證了該設計的可行性及合理性。為機床的改造提供了參考依據。

圖5 陣型云圖

4 預期效果

通過本次改造達到如下效果。（1）為數控車實訓教學提供了一個低成本、優效果的改進思路。（2）完成I5數控車床箱式接料裝置的搭建工作，能夠實現數控系統參數匹配。（3）采用改進后的數控車床進行教學，將大大減少教學事故，同時對學生今后的創新思維有很大的啟發。