【正文】 practice guidance. 【 Keyword】 CNC Lathe Spindle Solidworks modeling Stress analysis by Ansys 數(shù)控車床主軸關(guān)鍵零部件的設(shè)計與應(yīng)力分析 3 第一章 緒論 選題背景 隨著市場上產(chǎn)品更新?lián)Q代的加快和對零件精度提出更高的要求，傳統(tǒng)機床已不 能滿足要求。數(shù)控機床由于眾多的優(yōu)點已成為現(xiàn)代機床發(fā)展的主流方向。它的發(fā)展代表了一個國家設(shè)計、制造的水平，在國內(nèi)外都受到高度重視。 現(xiàn)代數(shù)控機床是信息集成和系統(tǒng)自動化的基礎(chǔ)設(shè)備，它集高效率、高精度、高柔性于一身，具有加工精度高、生產(chǎn)效率高、自動化程度高、對加工對象的適應(yīng)強等優(yōu)點。實現(xiàn)加工機床及生產(chǎn)過程的數(shù)控化，已經(jīng)成為當(dāng)今制造業(yè)的發(fā)展方向?？梢哉f，機械制造競爭的實質(zhì)就是數(shù)控技術(shù)的競爭。 本課題的目的和意義 設(shè)計中 通過運用所學(xué)的基礎(chǔ)課、技術(shù)基礎(chǔ)課和專業(yè)課的理論知識，生產(chǎn)實習(xí)和實驗等實 踐知識，達到鞏固、加深和擴大所學(xué)知識的目的。通過設(shè)計分析比較機床的某些典型機構(gòu)，進行選擇和改進，學(xué)習(xí)構(gòu)造設(shè)計，進行設(shè)計計算和編寫技術(shù)文件，達到學(xué)習(xí)設(shè)計步驟和方法的目的。通過設(shè)計查閱有關(guān)設(shè)計手冊、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和資料，達到積累設(shè)計知識和提高設(shè)計能力的目的。通過設(shè)計獲得設(shè)計工作的基本技能的訓(xùn)練，提高分析和解決工程技術(shù)問題的能力，并為進行一般機械的設(shè)計創(chuàng)造一定的條件。 本設(shè)計采用 solidworks 三維建模軟件對數(shù)控車床主軸關(guān)鍵零部件進行三維建模，使設(shè)計立體化，直觀化。另外 本設(shè)計 采用有限元分析軟件ANSYS 對主軸的應(yīng)力， 位移等進行分析，不但大大地減少了設(shè)計計算驗算的時間，而且使分析數(shù)據(jù)更加完善更加準(zhǔn)確。 對比傳統(tǒng)的機械設(shè)計，本設(shè)計綜合選用新一代設(shè)計軟件，利用計算機的強大的運算功能，縮短產(chǎn)品設(shè)計的開發(fā)周期，提高設(shè)計數(shù)字的準(zhǔn)確性。 國內(nèi)外研究狀況 數(shù)控機床的發(fā)展 數(shù)控車床主軸關(guān)鍵零部件的設(shè)計與應(yīng)力分析 2 數(shù) 控 機 床 (numerical control machine tool)是 采 用 了 數(shù) 字 控 制 技 術(shù)(numerical control 簡稱 NC)的機械設(shè)備，就是通過數(shù)字化的信息對機床的運動及其加工過程進行控制，實現(xiàn)要求的機械動作，自動完成加工任務(wù) [1]。數(shù)控機床是典型的技術(shù)密集且自動化程度很高的機電一體化加工設(shè)備。 第一臺數(shù)控機床是由美國 Parsons 公司與美國麻省大理工學(xué)院 (MIT)于 1952年合作研制成功的，當(dāng)時是為了加工直升飛機螺旋槳葉片輪廓的檢查樣板。 1959年，美國克耐杜列克公 (Keaney amp。 Trecker)首次成功開發(fā)了加工中心 (machining center,簡稱 MC)，這是一種有自動換刀裝置和回轉(zhuǎn)工作臺的數(shù)控機床，可以在一次裝夾中對工件的多個平面進行多工序的加工 (包括鉆孔、锪孔、攻絲、鏜削、平面銑削、輪廓銑削等 )。 20 世紀(jì) 90 年 代以來，歐、美、日各國爭相開發(fā)高速數(shù)控機床， 加快機床高速化的步伐。高速主軸單元 (電主軸的轉(zhuǎn)速達 15000r／ min 一 1000000 r／ min)，高速且高加 /減速度的進給運動部件 (快移速度 60m／ min120m／ min，切削進給速度高達 60m／ min)高性能數(shù)控和伺服系統(tǒng)以及數(shù)控工具系統(tǒng)都出現(xiàn)了新的突破，達到了新的技術(shù)水平 [1]。隨著超高速切削機理、超硬耐磨長壽命刀具材料和磨料磨具、大功率高速電主軸、高加／減速度的進給運動部件以及高性能控制系統(tǒng)和防護裝置等一系列技術(shù)領(lǐng)域中關(guān)鍵技術(shù)的解決，新一代高速數(shù)控機床 將應(yīng)用于機械制造業(yè)。從精密加工發(fā)展到超精密加工，是世界各工業(yè)強國致力發(fā)展的方向。超精密加工主要包括超精密切削、超精密磨、研磨、拋光以及超精密特種加工。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對超精密加工技術(shù)不斷提出了新的要求，發(fā)展超精密加工機床，是現(xiàn)代科技發(fā)展的要求。數(shù)控車床主軸是數(shù)控車床的關(guān)鍵零件之一，它直接影響數(shù)控車床的加工性能，主軸的動態(tài)特性的好壞直接影響主軸高速化的實現(xiàn)。因此，研究數(shù)控車床主軸的動靜態(tài)特性對實現(xiàn)高速、高精度車削具有積極的意義。 工程圖及 CAD 的發(fā)展 工程圖是工程師的語言，繪圖是工程設(shè) 計的一個重要環(huán)節(jié)，對于機械工程師而言，繪圖是把所設(shè)計的產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為真實有價值的產(chǎn)品的一個 必經(jīng)環(huán)節(jié)。然而，圖紙的繪制是一個極其繁瑣的工作，不但要求正確，準(zhǔn)確，而且隨著環(huán)境，需求等外部條件的變化，設(shè)計方案也會隨之變化。一項工程圖的繪制往往是需要數(shù)次數(shù)控車床主軸關(guān)鍵零部件的設(shè)計與應(yīng)力分析 3 的修改后才能完成的。 在早期，工程師采用手工繪圖。他們用草圖表達設(shè)計思想，手法不一。后來逐漸形成了一套規(guī)范，工程制圖標(biāo)準(zhǔn)也隨之誕生。但是由于項目的多樣性，多變性，使手工繪圖周期長，效率低，從而阻礙了建設(shè)的發(fā)展。工程師們 夢想著何時能甩開圖板，實現(xiàn)自動畫圖，將自己的設(shè)計思想 用一種簡潔美觀的標(biāo)準(zhǔn)方式表達出來，便于修改，易于重復(fù)利用，提高勞動效率。 隨著計算機的迅猛發(fā)展，工程界的迫切需要，計算機輔助繪圖（ Computer Aided Drafting）應(yīng)運而生。早期的計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)是在大型機上開發(fā)的，需要幾百萬美元，往往只有規(guī)模很大的企業(yè)才能應(yīng)用，小企業(yè)則難以望其項背，更別說個人了。進入 80 年代，微型計算機的迅猛發(fā)展，使計算機輔助工程設(shè)計逐漸成為現(xiàn)實。 小企業(yè)乃至個人也能使用上計算機輔助繪圖。 計算機繪圖是通過編制計算機輔助繪圖軟件，將圖形顯示在屏幕上，用戶可用光標(biāo)對圖形進行編 輯及修改。由微機和輸入輸出設(shè)備以及計算機繪圖軟件組成了一套計算機輔助繪圖系統(tǒng)。 由于 微機和各種外部設(shè)備的進一步發(fā)展，計算機輔助繪圖軟件的開發(fā)也得到長足的發(fā)展。 工程師所設(shè)計的方案很多是需要進行大量的計算，分析和比較，以決定最優(yōu)方案的。這時，各種設(shè)計數(shù)字，文字，圖形等都能存放在計算機的內(nèi)存或外存里，并能快速地檢索及調(diào)用。利用計算機繪圖軟件對所設(shè)計產(chǎn)品進行修改，放大，縮小，平移和旋轉(zhuǎn)等有關(guān)的圖形數(shù)據(jù)加工工作。 CAD 能夠減輕設(shè)計人員的計算畫圖等重復(fù)性勞動， 使其專著于設(shè)計本身，縮短設(shè)計周期和提高設(shè)計質(zhì)量。至今， CAD 軟件已經(jīng)在各行業(yè)工程師中普及。 AUTOCAD， PRO/E， SOLIDWORKS， UG等軟件已經(jīng)開發(fā)出來了幾代產(chǎn)品。 CAD 的不斷發(fā)展，使工程師的繪圖工作逐漸簡化，把更大的精力投入產(chǎn)品的設(shè)計本身，這是設(shè)計行業(yè)發(fā)展的一個重要前提。 國內(nèi)外機床動靜態(tài)特性研究現(xiàn)狀 主軸單元的動靜態(tài)特性包括主軸的變形、共振頻率、臨界轉(zhuǎn)速和動態(tài)響應(yīng)等，其對主軸速度和精度性能有極大的影響，早在上世紀(jì) 20 年代就開始了有關(guān)研究。上世紀(jì) 60 年代以前，基本上采用經(jīng)驗類比法進行主軸的結(jié)構(gòu)和動態(tài)性能設(shè)計。六十年代初，開始出現(xiàn)最佳跨距計 算，使主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計有了很大的改進，由于計算方法和手段的限制，對動力學(xué)模型通過簡化后，只能圖解法或解析法分析，數(shù)控車床主軸關(guān)鍵零部件的設(shè)計與應(yīng)力分析 4 方法繁瑣，計算精度低。 近 20 年來計算機和計算機技術(shù)的發(fā)展，主軸的動態(tài)特性研究進入了新的階段，各種計算方法相繼問世，如古典結(jié)構(gòu)分析法、傳遞矩陣法、有限差分法、有限元法和結(jié)構(gòu)修正法等。 美國 工程師們 進行了機床動態(tài)設(shè)計與控制相結(jié)合的研究， Michigan 大學(xué)T． jiang 應(yīng)用有限元法和動態(tài)分析的基礎(chǔ)上，用數(shù)學(xué)模型來模擬機床的連接形式，建立了機床整機的動力學(xué)模型，并對機床結(jié)合面連接件的位置和數(shù)量進行了拓?fù)?優(yōu)化。 伊朗 工程師們 用有限元方法分析了在車削過程中車床和工件的穩(wěn)定性，用ANSYS 軟件分析了車床整體的動態(tài)特性，并對 TN40A 車床進行了實驗?zāi)B(tài)分析。 蘭州理工大學(xué)吳暉對 Q3808A 無心車床的主軸系統(tǒng)及傳動系統(tǒng)的動力學(xué)特性進行了研究 [2]。建立了主軸系統(tǒng)基于 Riccati 傳遞矩陣法的質(zhì)量分布梁動力學(xué)模型，獲得了機床主軸系統(tǒng)橫向振動時其固有頻率的有關(guān)信息，以及主軸系統(tǒng)主要設(shè)計參數(shù)對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響有關(guān)信息。建立了機床傳動系統(tǒng)基于 Riccati傳遞矩陣法的動力學(xué)模型以及與之相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，獲得了傳動系 統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動時有關(guān)其固有頻率方面的信息。 廣東工業(yè)大學(xué)胡愛玲對高速主軸動靜態(tài)特性的有限元分析進行了研究，該課題主要以高速大功率的鏜銑加工中心電主軸為研究目標(biāo)，以實現(xiàn)電主軸的高速、高加工精度入手，對電主軸的動靜態(tài)特性進行了研究 [3]。 東南大學(xué)倪曉宇，基于 ANSYS 軟件針對機床組件進行有限元分析和優(yōu)化設(shè)計的專用軟件系統(tǒng)的研究與開發(fā) [4]。 綜合以上文獻資料可以發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)國外對機床動靜態(tài)特性的研究十分活躍，前人在這方面做了大量的工作，數(shù)控車床的動靜態(tài)分析提供了參考。機床動靜態(tài)分析的原理方法是具有共性的，用 動靜態(tài)分析的原理方法來分析具體的機床是有其特殊性的，所以，在有限元方法在數(shù)控車床設(shè)計中的應(yīng)用方面做一些探討是有意義的。 課題的研究方法 1． 結(jié)合數(shù)控機床設(shè)計手冊對數(shù)控機床關(guān)鍵零部件進行設(shè)計； （ 1）數(shù)控車床的主軸設(shè)計 ； 數(shù)控車床主軸關(guān)鍵零部件的設(shè)計與應(yīng)力分析 5 （ 2）軸承 設(shè)計 ； （ 3）密封設(shè)計 ； （ 4）各零件的定位設(shè)計 ； （ 5）箱體的設(shè)計 ； （ 6）傳動系統(tǒng)的設(shè)計 ； 2． 用 SOLIDWORKS 對所涉及的數(shù)控機床關(guān)鍵零部件進行三維建模； 在本論文第七章有詳細(xì)敘述，在此不作深入探討。 3． ANSYS 對主軸進行 應(yīng)力 分析，得到主軸的應(yīng)力狀態(tài)，用于指 導(dǎo)實踐。 在本論文第八章有詳細(xì)敘述，在此不作深入探討。 研究內(nèi)容 數(shù)控車床主軸結(jié)構(gòu) 設(shè)計 1． 主軸組件的基本要求 。要綜合考慮設(shè)計零件的應(yīng)力，應(yīng)變，彎曲變形等問題。在本論文第二章有詳細(xì)敘述。 2． 車床主軸常用滾動軸承 。要綜合考慮軸承的搭配，如何選用合適的軸承，軸承的使用壽命等問題。在本論文第三章有詳細(xì)敘述。 3． 主軸的 主要參數(shù) 設(shè)計 。 包括前軸頸直徑 D1，主軸內(nèi)徑 d，主軸懸伸量 a，主軸支承跨距等。在本論文第五章有詳細(xì)敘述 。 車床主軸 組件的三維建模 1． 零件圖的繪制 ； 2． 標(biāo) 準(zhǔn) 件的選用 ； 3． 裝配圖繪制 ； 主軸的 ANSYS 分析 1． 三維建模 ； 2． 網(wǎng)格劃分 ； 3． 加載約束和載荷 ； 4． 應(yīng)力分析結(jié)果 ； 數(shù)控車床主軸關(guān)鍵零部件的設(shè)計與應(yīng)力分析 6 設(shè)計前提 設(shè)計要求 本設(shè)計為 數(shù)控 車床主軸 關(guān)鍵零部件的設(shè)計與應(yīng)力分析 ， 關(guān)鍵零部件 主要由主軸箱，主軸，電動機 等組成。 主軸是 數(shù)控車床 的關(guān)鍵部位，其結(jié)構(gòu)優(yōu)劣對 數(shù)控車床 的性能有很大的影響，因此，在設(shè)計的過程中要多加注意。主軸前后的受力不同，故要選用不同的軸承 。零件的定位，材料的熱處理等也會影響到數(shù)控車床的整體性能，故在設(shè)計時也需要多加注意。 設(shè)計 參數(shù) 參數(shù)： P=， n=1450r/min， 切削力 為 850N 數(shù)控車床主軸關(guān)鍵零部件的設(shè)計與應(yīng)力分析 7 第二章 對主軸組件的要求 基本要求 主軸組件是機床的重要組成部分之一。主軸組件通常由主軸、軸承和安裝在主軸上的傳動件等組成。車床工作時，由主軸夾持著工件直接參加表面成形運動。所以主軸組件的工作性能，對加工質(zhì)量和機床生產(chǎn)率有重要影響。 對車床主軸組件的要求，和一般傳動軸組件有共同之處，就是都要在一定的轉(zhuǎn)速下傳遞一定的扭矩；都要保證軸上的傳動件和軸承正常的工作條件。 特殊 要求 主軸是直接帶著工件進行切削的，機床的加工質(zhì)量，在很大程度上要靠主軸組件保證。因此，對于主軸組件，有許多特殊要求。 旋轉(zhuǎn)精度 主軸的旋轉(zhuǎn)精度上是指裝配后， 在無載荷，低轉(zhuǎn)速的條件下，主軸前端工件或刀具部位的徑向跳動和軸向跳動。 主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度主要取決于各主要件，如主軸，軸承箱體孔的的制造，裝配和調(diào)整精度。還決定于主軸轉(zhuǎn)速，支撐的設(shè)計和性能，潤滑劑及主軸組件的平衡。 通用（包括數(shù)控）機床的旋轉(zhuǎn)精度已有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定可循。 靜剛度 主軸組件的靜剛度（簡稱剛度）反映組件抵抗靜態(tài) 外載荷 變形的能力。影響主軸組件彎曲剛度的因素很多，如主軸的尺寸和形狀， 滾動軸承的型號，數(shù)量，配置形式和欲緊，前后支撐的距離和主軸前端的懸伸量，傳動件的布置方式，主軸組件的制造和裝配質(zhì)量等。 各類機床主軸組件的剛度目前尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。 數(shù)控車床主軸關(guān)鍵零部件的設(shè)計與應(yīng)力分析 8 抗振性 主軸組件工作時產(chǎn)生震動會降低工件的表面質(zhì)量和刀具耐用度，縮短主軸軸承壽命，還會產(chǎn)生噪聲影響環(huán)境。 振動表現(xiàn)為強迫振動和自激振動兩種形式。 影響抗振性的因素主要有主軸組件的靜剛度，質(zhì)量分布和阻尼（特別是主軸前支撐的阻尼）主軸的固有頻率應(yīng)遠(yuǎn)大于激動力的頻率 ，以使它不易發(fā)生共振。 目前，尚未制定出抗振性的指標(biāo)，只有一些實驗數(shù)據(jù)可供設(shè)計時參考。 升溫和熱變形 主軸組件工作時因各