机床用碳纤维传动轴设计与分析.pdf

室题绿色制造技术 l T o p ic s G r e e n M a n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g y I I 。 机床用碳纤维传动轴设计与分析 宋春生 徐仕伟 张锦光 龚静雯 武汉理工大学机 电工程学院， 湖北 武汉 4 3 0 0 7 0 摘要 根据机床传动轴 的设计参数 ， 设计 了碳纤维传动轴 ， 确定 了铺层层数及厚度。在此基础上， 根据碳纤 维布的铺层原则 ， 制定了 6种铺层方案 ， 通过 比较几种方案的变形和应力分布 ， 从中选取最优铺层方 案。运用 A NS YS有 限元仿真软件， 对设计 的碳纤维复合材料传动轴 ， 进行静态扭转分析和模态分 析 ， 得到其扭转性能参数和固有频率 ， 根据仿真结果可知设计的碳纤维传动轴能够满足机床传动轴 的使用要求。 关键词 传动轴碳纤维重型机床有限元 中图分类号 T G5 O 2 ． 1 2 文献标识码 A De s i g n a n d a n a l y s i s o f c a r b o n f i b e r c o mp o s i t e p r o p e l l e r s h a f t f o r ma c h i n e t o o S O NG C h u n s h e n g，XU S h i we i ，Z HANG J i n g u a n g ，G ONG J i n g we n S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g ， Wu h a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， Wu h a n 4 3 0 0 7 0 ，C H N Ab s t r a c t A c a r b o n fi b e r c o mp o s i t e ma t e r i a l p r o p e l l e r s h a f t wa s d e v e l o p e d ，i t s s t a c k i n g l a y e r s a n d t h i c k n e s s w e r e d e t e r mi n e d a c c o r d i n g t o t h e d e s i g n p a r a me t e r s o f t h e ma c h i n e t o o l p r o p e l l e r s h a ft ．On t h i s b a s i s ，s i x d i f - f e r e n t s t a c k i n g s e q ue n c e s we r e d e v e l o p e d wi t h t he s t a c k i n g p r i nc i p l e s o f c a r b o n fi be r c l o t h，I t h e o p t i ma l s t a c k i n g s e q u e n c e wa s c h o s e n b y c o mpa r i n g t h e s t r a i n a n d s t r e s s d i s t r i b u t i o n o f t h o s e d i f f e r e n t s t a c k i n g s e qu e n c e s ． T h e fin i t e e l e me n t a n a l y s i s s o f t wa r e ANS YS h a s b e e n u s e d t o a n a l y s i s t h e s t a t i c t o r s i o n a n d mo d a l o f t h e d e s i g n e d c a r b o n fib e r c o mp o s i t e ma t e r i a l p r o p e l l e r s h a f t ，a c q u i r e d i t s t o r s i o n a l p e rfo r ma n c e p a r a me t e r s a n d n a t ur a l fre q u e n c y ．Th e s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o we d t h a t t h e d e v e l o pe d c a r b o n fi be r e o m- p o s i t e ma t e r i a l p r o p e l l e r s h a f t c o u l d me e t t h e u s a g e r e q u i r e me n t s o f p r o pe l l e r s h a ft f o r h e a v y ma c hi n e t o o 1 ． Ke y wo r d sPr o p e l l e r S h a ft；Ca r b o n F i b e r；He a v y Ma c hi n e To o l ；F i n i t e El e me n t 机床传动轴主要是用来将动力源的动力传递给执 行机构 的， 一般都是用钢制材料制成 ， 在中小机床中能 够较好地运行。然而重型机床传动轴的长度和直径一 般都比较大， 且对扭矩传递能力、 抗弯曲能力、 旋转精 度 以及所能承受 的最高转速均有较高的要求 。由于金 属材料的比模量和比刚度较低 ， 金属传动轴过长 ， 质量 就会 比较大 ， 这就使得传动轴的加工 、 布置、 安装 和调 试变得非常困难 ， 且容易引起强烈的振动， 影响加工精 度 ， 浪费能源 ， 增加成本 。寻找强度更高 、 质量更轻 、 等 同结构的材料来取代钢材一直是机床主轴的发展趋 势。 碳纤维复合材料具有密度小、 强度高、 制造容易、 阻尼减振性好等诸多优点。目前， 纤维增强复合材料 在传动轴中使用日益广泛， 它所具有的各种优异性能 等 ‘u I￡ 平 帚 l‘ 删 也 日益凸现 j 。与传统 的金属传动轴相 比， 具有轻质 高效 ， 低振动 ， 低噪声 ， 易维修 、 节约能源等特点 ， 这就 给机床主轴的设计者提供 了全新 的契机 ， 从而提出了 纤维增强复合材料机床主轴的设计思想， 这些都给纤 维增强复合材料机床主轴今后 的使用带来 了巨大的潜 力 。 1 碳纤维传动轴设计方案 根据机床的使用要求， 碳纤维机床用传动轴的设 计要求如表 1 所示。 复合材料的基体一般是树脂材料， 目 前可供选择 的树脂主要有两类 一类为热固性树脂， 其中包括环氧 树脂、 聚酰亚胺树脂、 酚醛树脂和聚酯树脂等。另一类 为热塑性树脂， 如聚醚砜、 聚砜、 聚醚醚酮等。碳纤维 l 主题绿色翻造技术 。 | T o p ic s G r e e n M a n u f a c t u r in g T e c h n o l o g y 复合材料最常用的树脂基体是环氧树脂 ， 它具有耐高 温、 粘附性好 、 耐腐蚀 、 工艺性能好等特性 。因此 ， 本次设计选用的复合材料的基体是环氧树脂 。根据增 强材料和树 脂基体的选择要求 ， 本文选择 T 3 0 0 ／ 5 2 0 8 碳纤维／ 环氧作为碳纤维复合材传 动轴 的制作材料。 T 3 0 0 ／ 5 2 0 8的工程弹性参数如表 2中所示 。 表 1 碳 纤维机床传动轴设计要 求 长度 直径 最高 额定 最大 轴向最 径 向最 扭转角 转速 扭矩 扭矩 大位移 大偏移 ／ mm 。 ／ 全长、 ／ r ／ mi n ， N IT I N 12 “1 3 7 5 0 2 7 4 2 5 0 0 1 5 0 0 0 2 2 5 0 0 O． 8 5 3 2 ． 9 O ． 5 表 2 T 3 0 0 ／ 5 2 0 8碳纤维复合材料性能参数⋯ 纵向杨 氏模量 横 向杨 氏模量 纵向柏松 比 纵 向剪切模 量 E， ／ GP E ／ CP G￡ ／ GP a 1 81 1 0 ． 3 O． 2 8 7 ． 1 7 ● 根据传动轴的边界条件 、 承受载荷 的形式和几何 形状 ， 可以将其简化成一端固定另一端承受扭矩的圆 管。由于碳纤维复合材料高 的比模量和 比刚度 ， 铺层 厚度不是越大越好 ， 随着铺层厚度的增加 ， 抗扭截面系 数 强度 几乎呈线性增长的趋势 ， 而单位扭转角 刚 度 呈非线性减小 的趋势 J ， 在设计 的时候其铺 层厚 度不需要很大即可以满足设计要求 。综合考虑成本及 承扭能力 ， 拟采用 2 0层碳纤维复合材料 ， 每一层 的厚 度为 0 ． 3 m m， 碳纤维复合材料层的厚度为 6 m m。 2 碳纤维传动轴性能分析 本文利用有限元分析软件 A N S Y S 1 2 ． 0进行碳纤 维复合材料传动轴的设计。根据薄壳的定义， h ／ R 6 ／ 1 3 7 1 ／ 2 0， 可以将碳纤维复合材料传动轴简化成薄壳 结构。由于结构 比较简单可 以直接在 A N S Y S中建立 模型。 根据本 文中碳纤 维复合 材料传 动轴的尺寸和载荷要 求 ， 选择 S H E L L 1 8 1 单元来模 拟碳纤 维复合材料 轴的层合 结构 ， 对建立好的模型进行网 格划分。划分的方法采用 自 由网格划分， 选择较高的尺寸 图1模型 的 有限 元网 格 划 分 精度， 划分好网格后的模型如图1中所示。 根据复合材料层合板一般铺层原则并结合前人的 一 些研究成果 圳 ， 在本次设计 中采用 l 0 。 、 4 5 。 和 8 8 。 这 3个角度完成铺层设计 。在此基础上形成了6套铺 层方案来对之前的 4 5 。 的铺层方案进行优化设计。 这 6套方案分别为 1 一 [ 1 0 2 ／ 4 5 2 ／ 8 8 2 ／ 4 5 ／ 1 0 ／ 4 5 ／ 8 8 2 ／ 4 5 ／ 1 0 ／ 4 5 ／ 8 8 2 ／ 4 5 2 ／ 1 0 2 ] 2一 [ 1 0 2 ／ 4 5 2 ／ 8 8 2 ／ 4 5 2 ／ 1 0 ／ 4 5 ／ 8 8 2 ／ 4 5 ／ 1 0 ／ 4 5 2 ／ 8 8 2 ／ 4 5 2 ／ 1 0 ] 3一 [ 1 0 ／ 4 5 ／ 8 8 2 ／ 4 5 2 ／ 1 0 2 ／ 4 5 ／ 8 8 2 ／ 4 5 ／ 1 0 2 ／ 4 5 2 ／ 8 8 2 ／ 4 5 ／ 1 0 ] 4一 [ 1 0 ／ 4 5 ／ 8 8 ／ 4 5 2 ／ 1 0 2 ／ 4 5 2 ／ 8 8 2 ／ 4 5 2 ／ 1 0 2 ／ 4 5 2 ／ 8 8 ／ 4 5 ／ 1 0 ] 5一 [ 1 0 ／ 4 5 2 ／ 8 8 ／ 4 5 2 ／ 1 0 ／ 4 5 2 ／ 8 8 2 ／ 4 5 2 ／ 1 0 ／ 4 5 2 ／ 8 8 ／ 4 5 2 ／ 1 0 ] 6一 [ 1 0 2 ／ 4 5 ／ 8 8 2 ／ 4 5 ／ 1 0 2 ／ 4 5 ／ 8 8 2 ／ 4 5 ／ 1 0 2 ／ 4 5 ／ 8 8 2 ／ 4 5 ／ 1 0 2 ] 按照 4 5 。 的有限元分析方法 ， 对上述 6套方案进 行求解 ， 分别获得抗扭截面系数和单位长度扭转角 ， 如 图 2中所示。 置 ＼ ＼ 娅 蜱 黾 0 0 0 5 0 0 0 4 0 0 0 4 0 0 0 3 0 0 0 3 0 0 0 2 0 0 0 2 000 1 0 0 01 O O O O l 4 b 方案序号 I单位长度扭转角 抗扭截 面系数 图2 6 种铺层方案抗扭截面系数及单位扭转角分布图 根据图 2中的对 比可知， 方案 6的抗扭截面系数 是最大的， 其单位长度扭转角也是最大并且方案 6的 最内层接近于环 向， 有利 于缠绕轴管 成形后 的脱模。 综合考虑 ， 可取方案 6为最优结果 。 选取方案的层合结构为 [ 1 0 ／ 4 5 ／ 8 8 ， ／ 4 5 ／ 1 0 ， ／ 4 5 ／ s H 0 ● “na e ff K F RO I 1 邺20 图3 碳纤维复合材料轴的层合结构 ZU I l平 幂l 朋 8 6 4 2 1 8 6 4 2 O 叭叭叭叭加∞∞∞∞ ● 主题绿色棚造技术 。| O p lC S G r e e n M a n u t a c t u r mg l e c h n o t o g y 轻量化技术在机床设计中的应用 谢志坤 路 平 史科科 刘伯聪 沈 阳机床 集 团 有限责任公司设计研 究院研发部 ， 辽宁 沈阳 1 1 0 1 4 2 摘要 以目前机床制造业的现状为背景 ， 阐述了轻量化技术 的相关知识， 着重分析 了轻量化技术中结构优 化设计技术、 新材料设计技术、 多学科综合优化设计技术在机床设计中的应用情况 ， 同时对轻量化技 术在机床设计 中的应用前景进行了展望 ， 并提出了一些建议。 关键词 结构优化设计技术新材料设计技术 多学科综合优化设计技术 中图分类号 T G5 0 2 文献标识码 A Th e a p p l i c a t i o n o f t h e l i g h t we i g h t t e c h n o l o g y i n ma c h i n e t o o l d e s i g n f i e l d XI E Z hi k un，L U P i n g，S HI Ke ke，LI U Bo c o n g R e s e a r c hD e s i g n I n s t i t u e ， S h e n y a n g Ma c h i n e T o o l G r o u p C o ． ，L t d ． ， S h e n y a n g 1 1 0 1 4 2， C H N Abs t r a c tBa s e d o n t h e c ur r e n t s i t ua t i o n o f t h e ma c h i n e t o o l i n d us t r y，t h i s p a p e r d e s c r i b e s t he r e l a t e d kn o wl e d g e o f l i g h t we i g h t t e c h n o l o g y，a n d e mp h a t i c a l l y a n a l y s e s t h e a p p l i c a t i o n i n ma c h i n e t o o l d e s i g n fie l d o f t h e t e c h n o l o g i e s i nc l u d e d i n t h e l i g h t we i g h t t e c h n o l o g ys t r uc t u r a l o p t i mi z a t i o n d e s i g n，a d v a n c e d ma t e r i a l s d e s i g n a n d i nt e g r a t e d mu l t i d i s c i p l i n a ry o p t i mi z a t i o n ．Me a n whi l e，i t p r e s e n t s t he a p p l i c a t i o n p r o s p e c t o f t h e l i g ht we i g h t t e c h n o l o g y i n ma c h i n e t o o l d e s i g n f i e l d，a n d t h e n g i v e s s o me s u g g e s t i o n s ． Ke ywo r d sS t ruc t u r a l Op t i mi z a t i o n De s i g n；Ad v a n c e d Ma t e r i a l s De s i g n；I n t e g r a t e d Mu l t i d i s c i p l i n a ry Op t i mi z a t i o n 现今 ， 我国机床主体结构的设计更多采用传统材 料力学简化计算与经验设计相结合的方法 ， 由于过于 保守 ， 致使产品设计制造成本过高。过去如果要提高 机床精度 ， 主要依靠提高机体的刚度 ， 而提高机体刚度 又只能通过加大加厚结构 ， 其结果是机床重量的 8 0 ％ 用于保证机床的刚度 ， 只有 2 0 ％用于机床的运动。因 此 ， 如何在保证机床刚度 、 强度 、 动态性能 以及其他指 标的条件下进行机床轻量化设计成为机床绿色制造中 最为有意义的课题。 l 轻量化技术 轻量化技术包括结构优化设计技术 、 新材料设计 技术 、 以及多学科综合优化设计技术。我 国机床制造 业在市场培育下 ， 产 品技术水平和制造能力有很大提 高 ， 但与国际先进水平相 比仍有较大差距 。我 国机床 行业要想获得可持续 的发展 ， 必须尽快研究 、 制造 出符 合社会需要的节能减排的新结构、 新材料 、 新工艺和新 技术 ， 进而得以推广资源节约型、 能源节省型和环境友 好型的绿色设计技术。 1 ． 1 结构优化设计技术 机床结构件的设计 ， 不仅要考虑其静态性能 、 动态 性能 ， 大件重量也是考虑的必要因素。因此 ， 设计出静 态 、 动态性能好 ， 同时质量又不大的机床零部件既可以 提高机床 的整机性能 ， 又可 以降低机床的成本。 利用 第一作者 宋春 生， 男， 1 9 8 1年 生， 博 士， 讲师 ， 主 要研 究方向为碳 纤维复合材料螺旋桨及传动轴设计分 析 ， 磁悬浮技术等。 编辑谭弘颖 收 稿日 期 2 0 1 2 1 0 0 8 ★2 0 1 2绿 色制造技 术论 坛论 文 文章编号 1 2 1 2 1 5 如果您想发表对本文的看法， 请将文章编号 填入读者 意见调查表中 的相应位置。 高速精 密数控机床绿色制造关键技 术开发及应用示范 2 0 1 2 B A F 0 1 B 0 2 S n ． r V 玎 a 7 i 一 僦 一 一 一 一 一 一 一 一 ∞e H Ⅲ 。 材 E m n 维 一 一 ～ ～ ～ 一 一 一 二囊 一 强 _薹 一 峨