【正文】 practice guidance. 【 Keyword】 CNC Lathe Spindle Solidworks modeling Stress analysis by Ansys 數(shù)控車床主軸關鍵零部件的設計與應力分析 3 第一章 緒論 選題背景 隨著市場上產品更新?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計、制造的水平，在國內外都受到高度重視。 現(xiàn)代數(shù)控機床是信息集成和系統(tǒng)自動化的基礎設備，它集高效率、高精度、高柔性于一身，具有加工精度高、生產效率高、自動化程度高、對加工對象的適應強等優(yōu)點。實現(xiàn)加工機床及生產過程的數(shù)控化，已經成為當今制造業(yè)的發(fā)展方向?？梢哉f，機械制造競爭的實質就是數(shù)控技術的競爭。 本課題的目的和意義 設計中 通過運用所學的基礎課、技術基礎課和專業(yè)課的理論知識，生產實習和實驗等實 踐知識，達到鞏固、加深和擴大所學知識的目的。通過設計分析比較機床的某些典型機構，進行選擇和改進，學習構造設計，進行設計計算和編寫技術文件，達到學習設計步驟和方法的目的。通過設計查閱有關設計手冊、設計標準和資料，達到積累設計知識和提高設計能力的目的。通過設計獲得設計工作的基本技能的訓練，提高分析和解決工程技術問題的能力，并為進行一般機械的設計創(chuàng)造一定的條件。 本設計采用 solidworks 三維建模軟件對數(shù)控車床主軸關鍵零部件進行三維建模，使設計立體化，直觀化。另外 本設計 采用有限元分析軟件ANSYS 對主軸的應力， 位移等進行分析，不但大大地減少了設計計算驗算的時間，而且使分析數(shù)據(jù)更加完善更加準確。 對比傳統(tǒng)的機械設計，本設計綜合選用新一代設計軟件，利用計算機的強大的運算功能，縮短產品設計的開發(fā)周期，提高設計數(shù)字的準確性。 國內外研究狀況 數(shù)控機床的發(fā)展 數(shù)控車床主軸關鍵零部件的設計與應力分析 2 數(shù) 控 機 床 (numerical control machine tool)是 采 用 了 數(shù) 字 控 制 技 術(numerical control 簡稱 NC)的機械設備，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 [1]。數(shù)控機床是典型的技術密集且自動化程度很高的機電一體化加工設備。 第一臺數(shù)控機床是由美國 Parsons 公司與美國麻省大理工學院 (MIT)于 1952年合作研制成功的，當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 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領域中關鍵技術的解決，新一代高速數(shù)控機床 將應用于機械制造業(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)代科學技術的發(fā)展，對超精密加工技術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 計的一個重要環(huán)節(jié)，對于機械工程師而言，繪圖是把所設計的產品轉化為真實有價值的產品的一個 必經環(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，準確，而且隨著環(huán)境，需求等外部條件的變化，設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)控車床主軸關鍵零部件的設計與應力分析 3 的修改后才能完成的。 在早期，工程師采用手工繪圖。他們用草圖表達設計思想，手法不一。后來逐漸形成了一套規(guī)范，工程制圖標準也隨之誕生。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，將自己的設計思想 用一種簡潔美觀的標準方式表達出來，便于修改，易于重復利用，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）應運而生。早期的計算機輔助設計系統(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，用戶可用光標對圖形進行編 輯及修改。由微機和輸入輸出設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，各種設計數(shù)字，文字，圖形等都能存放在計算機的內存或外存里，并能快速地檢索及調用。利用計算機繪圖軟件對所設計產品進行修改，放大，縮小，平移和旋轉等有關的圖形數(shù)據(jù)加工工作。 CAD 能夠減輕設計人員的計算畫圖等重復性勞動， 使其專著于設計本身，縮短設計周期和提高設計質量。至今， CAD 軟件已經在各行業(yè)工程師中普及。 AUTOCAD， PRO/E， SOLIDWORKS， UG等軟件已經開發(fā)出來了幾代產品。 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品的設計本身，這是設計行業(yè)發(fā)展的一個重要前提。 國內外機床動靜態(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、臨界轉速和動態(tài)響應等，其對主軸速度和精度性能有極大的影響，早在上世紀 20 年代就開始了有關研究。上世紀 60 年代以前，基本上采用經驗類比法進行主軸的結構和動態(tài)性能設計。六十年代初，開始出現(xiàn)最佳跨距計 算，使主軸的結構設計有了很大的改進，由于計算方法和手段的限制，對動力學模型通過簡化后，只能圖解法或解析法分析，數(shù)控車床主軸關鍵零部件的設計與應力分析 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，如古典結構分析法、傳遞矩陣法、有限差分法、有限元法和結構修正法等。 美國 工程師們 進行了機床動態(tài)設計與控制相結合的研究， Michigan 大學T． jiang 應用有限元法和動態(tài)分析的基礎上，用數(shù)學模型來模擬機床的連接形式，建立了機床整機的動力學模型，并對機床結合面連接件的位置和數(shù)量進行了拓撲 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 車床進行了實驗模態(tài)分析。 蘭州理工大學吳暉對 Q3808A 無心車床的主軸系統(tǒng)及傳動系統(tǒng)的動力學特性進行了研究 [2]。建立了主軸系統(tǒng)基于 Riccati 傳遞矩陣法的質量分布梁動力學模型，獲得了機床主軸系統(tǒng)橫向振動時其固有頻率的有關信息，以及主軸系統(tǒng)主要設計參數(shù)對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響有關信息。建立了機床傳動系統(tǒng)基于 Riccati傳遞矩陣法的動力學模型以及與之相應的數(shù)學模型，獲得了傳動系 統(tǒng)扭轉振動時有關其固有頻率方面的信息。 廣東工業(yè)大學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，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)控車床設計中的應用方面做一些探討是有意義的。 課題的研究方法 1． 結合數(shù)控機床設計手冊對數(shù)控機床關鍵零部件進行設計； （ 1）數(shù)控車床的主軸設計 ； 數(shù)控車床主軸關鍵零部件的設計與應力分析 5 （ 2）軸承 設計 ； （ 3）密封設計 ； （ 4）各零件的定位設計 ； （ 5）箱體的設計 ； （ 6）傳動系統(tǒng)的設計 ； 2． 用 SOLIDWORKS 對所涉及的數(shù)控機床關鍵零部件進行三維建模； 在本論文第七章有詳細敘述，在此不作深入探討。 3． ANSYS 對主軸進行 應力 分析，得到主軸的應力狀態(tài)，用于指 導實踐。 在本論文第八章有詳細敘述，在此不作深入探討。 研究內容 數(shù)控車床主軸結構 設計 1． 主軸組件的基本要求 。要綜合考慮設計零件的應力，應變，彎曲變形等問題。在本論文第二章有詳細敘述。 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敘述。 3． 主軸的 主要參數(shù) 設計 。 包括前軸頸直徑 D1，主軸內徑 d，主軸懸伸量 a，主軸支承跨距等。在本論文第五章有詳細敘述 。 車床主軸 組件的三維建模 1． 零件圖的繪制 ； 2． 標 準 件的選用 ； 3． 裝配圖繪制 ； 主軸的 ANSYS 分析 1． 三維建模 ； 2． 網格劃分 ； 3． 加載約束和載荷 ； 4． 應力分析結果 ； 數(shù)控車床主軸關鍵零部件的設計與應力分析 6 設計前提 設計要求 本設計為 數(shù)控 車床主軸 關鍵零部件的設計與應力分析 ， 關鍵零部件 主要由主軸箱，主軸，電動機 等組成。 主軸是 數(shù)控車床 的關鍵部位，其結構優(yōu)劣對 數(shù)控車床 的性能有很大的影響，因此，在設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，故在設計時也需要多加注意。 設計 參數(shù) 參數(shù)： P=， n=1450r/min， 切削力 為 850N 數(shù)控車床主軸關鍵零部件的設計與應力分析 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，對加工質量和機床生產率有重要影響。 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。 旋轉精度 主軸的旋轉精度上是指裝配后， 在無載荷，低轉速的條件下，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，裝配和調整精度。還決定于主軸轉速，支撐的設計和性能，潤滑劑及主軸組件的平衡。 通用（包括數(shù)控）機床的旋轉精度已有標準規(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量等。 各類機床主軸組件的剛度目前尚無統(tǒng)一的標準。 數(shù)控車床主軸關鍵零部件的設計與應力分析 8 抗振性 主軸組件工作時產生震動會降低工件的表面質量和刀具耐用度，縮短主軸軸承壽命，還會產生噪聲影響環(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）主軸的固有頻率應遠大于激動力的頻率 ，以使它不易發(fā)生共振。 目前，尚未制定出抗振性的指標，只有一些實驗數(shù)據(jù)可供設計時參考。 升溫和熱變形 主軸組件工作時因各