范紅偉,艾青牧,王雨虹,李家新,黃仁華
(哈爾濱工業(yè)大學(xué),黑龍江 哈爾濱 150027)
新工科背景下,對(duì)人才工程實(shí)踐能力提出了新需求指向,這要求工程技術(shù)人員必然要有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),助力我國經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型,尤其對(duì)于工科高校而言,學(xué)生的工程實(shí)踐能力培養(yǎng)必須要得到重視,培養(yǎng)一批敢于實(shí)踐、勤于動(dòng)手的新工科人才,才能更好支持創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展、“中國制造2025”等一系列國家級(jí)舉措。
哈工大工程創(chuàng)新實(shí)踐中心(以下簡稱“中心”)創(chuàng)立于2017年6月,以工程訓(xùn)練實(shí)踐課程為基礎(chǔ),強(qiáng)化學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐能力、拓展高端裝備智能制造人才培養(yǎng)功能為原則,中心對(duì)學(xué)生培養(yǎng)的新要求是:厚基礎(chǔ)、強(qiáng)實(shí)踐。
數(shù)控車削作為工科專業(yè)的一門基礎(chǔ)工程訓(xùn)練實(shí)訓(xùn)課,主要培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作能力,提升實(shí)踐能力,但目前數(shù)控車削實(shí)踐教學(xué)中還存在著一定的問題需要解決,如:加工后產(chǎn)品自由掉落導(dǎo)致易發(fā)生磕碰現(xiàn)象。
國內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)數(shù)控車削實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行了大量研究工作,如孫立峰針對(duì)數(shù)控車工實(shí)訓(xùn)教學(xué)進(jìn)行了研究和探索,指出數(shù)控車削實(shí)踐教學(xué)中的一些問題:教學(xué)模式單一,硬件設(shè)備和教師能力不足,缺乏明確的教學(xué)方向,并提出了一定的改革對(duì)策。盧燕基于翻轉(zhuǎn)課堂的數(shù)車實(shí)訓(xùn)課堂教學(xué)模式改革進(jìn)行了探索,指出數(shù)控車削實(shí)訓(xùn)中出現(xiàn)撞刀現(xiàn)象,提出線上與線下混合教學(xué)模式以避免數(shù)車實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的撞刀現(xiàn)象,更好地維護(hù)數(shù)控車床。
雖然專家學(xué)者對(duì)數(shù)控車削實(shí)訓(xùn)教學(xué)改革進(jìn)行了大量研究,但是針對(duì)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中產(chǎn)品自由掉落導(dǎo)致易發(fā)生磕碰現(xiàn)象的研究尚且還很少,為解決此問題,本文提出改進(jìn)方案并采用有限元方法對(duì)改進(jìn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)分析。
數(shù)控車削實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備改進(jìn)結(jié)構(gòu)形似箱體,故稱其為箱式接料裝置,該裝置安裝于數(shù)控機(jī)床內(nèi)部左側(cè),由接料盤、連接桿、萬向節(jié)及支撐底座組成,如圖1所示。支撐底座緊固在數(shù)控機(jī)床內(nèi)部左側(cè),連接桿通過萬向節(jié)連接在支撐座上并可沿萬向節(jié)上下旋轉(zhuǎn),連接桿根據(jù)實(shí)訓(xùn)產(chǎn)品的長短可進(jìn)行伸縮,實(shí)訓(xùn)產(chǎn)品加工完成后直接掉落在接料盤中。
圖1 數(shù)控車削實(shí)訓(xùn)教學(xué)設(shè)備改進(jìn)結(jié)構(gòu)
該箱式接料裝置主要用來裝載直徑D=φ30~40mm的圓柱形實(shí)訓(xùn)產(chǎn)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(dǎo)入ANSYS建立完整的數(shù)值模型。如圖2所示。
圖2 箱式接料裝置三維模型
在ANSYS Workbench中的Static Structural靜力分析模塊中導(dǎo)入模型,設(shè)置材料為45號(hào)鋼,材料參數(shù)如表1所示。本文中單元格劃分采用正四面體方法進(jìn)行劃分。在保證計(jì)算應(yīng)力進(jìn)度的同時(shí)保證工作效率,將單元格尺寸設(shè)置為5mm,網(wǎng)格劃分完成后共計(jì)14962個(gè)單元,30341個(gè)節(jié)點(diǎn),如圖3(a)所示。
表1 有限元參數(shù)設(shè)置
按照實(shí)踐教學(xué)中的實(shí)際工況要求,對(duì)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(fù)方向大小為500N的力,受力圖如圖3(b)所示,在對(duì)箱式接料裝置的總變形和總應(yīng)力進(jìn)行求解之后,得到計(jì)算結(jié)果,最大總變形為0.94206mm,如圖3(c)所示,最大應(yīng)力為161680MPa,如圖3(d)所示。
圖3 靜力學(xué)分析
為了掌握箱式接料裝置的使用時(shí)間,提高其工作的可靠性和安全,對(duì)其進(jìn)行疲勞分析。零部件材料在循環(huán)應(yīng)力和應(yīng)變作用下,在部分位置發(fā)生永久性累積損傷并擴(kuò)展,經(jīng)循環(huán)次數(shù)發(fā)生裂紋或突然發(fā)生全部斷裂的過程,最后斷裂的現(xiàn)象叫做疲勞破壞。疲勞問題是目前制造領(lǐng)域面臨的一個(gè)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(fù)運(yùn)動(dòng),因此有必要對(duì)箱式接料裝置進(jìn)行疲勞分析。
(1)疲勞求解。疲勞分析是在前期靜力學(xué)分析基礎(chǔ)上進(jìn)行,對(duì)箱式接料裝置做疲勞分析,在靜力學(xué)分析模塊中右鍵單擊solution,插入疲勞分析,在類型中選擇時(shí)間,疲勞強(qiáng)度因子設(shè)置為1,并選擇平均應(yīng)力修整理論進(jìn)行計(jì)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(shù),并設(shè)置安全系數(shù)下的設(shè)計(jì)壽命為1.0×106cycles,完成之后提交計(jì)算機(jī)求解。(2)疲勞結(jié)果。選擇疲勞分析計(jì)算結(jié)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(jīng)計(jì)算該接料裝置的最小壽命是7年。對(duì)于安全系數(shù)圖如圖4b所示,從安全系數(shù)圖中可以得到接料裝置的最大安全系數(shù)為15。經(jīng)過疲勞分析可知優(yōu)化后的接料裝置是滿足設(shè)計(jì)需要的。
為優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)尺寸和改變設(shè)計(jì)質(zhì)量,對(duì)該結(jié)構(gòu)做了模態(tài)分析。模態(tài)分析實(shí)質(zhì)是將模型中物理坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為模態(tài)坐標(biāo),采用有限元矩陣方程進(jìn)行求解,可得到模型的固有頻率和振型圖。靜力學(xué)分析完成后,在ANSYS Workbench軟件中創(chuàng)建模態(tài)分析模塊。6階振型圖和數(shù)據(jù)如圖4所示,其固有頻率和偏移量如表2所示。
表2 模態(tài)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(shù)對(duì)其進(jìn)行了分析,驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的可行性及合理性。為機(jī)床的改造提供了參考依據(jù)。
圖5 陣型云圖
通過本次改造達(dá)到如下效果。(1)為數(shù)控車實(shí)訓(xùn)教學(xué)提供了一個(gè)低成本、優(yōu)效果的改進(jìn)思路。(2)完成I5數(shù)控車床箱式接料裝置的搭建工作,能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)匹配。(3)采用改進(jìn)后的數(shù)控車床進(jìn)行教學(xué),將大大減少教學(xué)事故,同時(shí)對(duì)學(xué)生今后的創(chuàng)新思維有很大的啟發(fā)。