【正文】 nant 扭轉(zhuǎn)問(wèn)題。 60 年代初， 和 采用了規(guī)則的三角形單元，從變分原理出發(fā)來(lái)求解微分方程式。例如 Velagala 等人利用有限元法對(duì)車床主軸建模，并以軸承間隙，軸承剛度以及工件直徑大小為設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)其進(jìn)行靜、動(dòng)態(tài)分析。數(shù)控機(jī)床是典型的技術(shù)密集且自動(dòng)化程度很高的機(jī)電一體化加工設(shè)備。） 20世紀(jì) 60年代末，出現(xiàn)了直接數(shù)控系統(tǒng) DNC（ direct NC），即由一臺(tái)計(jì)算機(jī)直接管理和控制一群數(shù)控機(jī)床。數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)是高速化和高精密化。 課題的實(shí)用意義 CK6132 是我校用于實(shí)踐教學(xué)的一臺(tái)數(shù)控車床，配置國(guó)產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)，床身最大回轉(zhuǎn)直徑 320mm，最大加工長(zhǎng)度 750mm，主軸采用通用變頻器和雙速電機(jī)驅(qū)動(dòng)，主軸轉(zhuǎn)速范圍 100800rmp，該車床在使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)振動(dòng)嚴(yán)重，無(wú)法進(jìn)行切槽、切斷加工。 主要研究?jī)?nèi)容 ①數(shù)控車床的主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 主傳動(dòng)變速的參數(shù) 第頁(yè)共 34 頁(yè) 主傳動(dòng)變速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 數(shù)控車床的主軸驅(qū)動(dòng)方式 CK6132 數(shù)控車床主傳動(dòng)系統(tǒng)分析 ② CK6132 數(shù)控車床主軸結(jié)構(gòu) 主軸組件的基本要求 車床 主軸常用滾動(dòng)軸承及剛度計(jì)算 主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) CK6132 數(shù)控車床主軸結(jié)構(gòu) ③ CK6132 數(shù)控車床主軸扭轉(zhuǎn)剛度的 ANSYS 分析 ④基于 ANSYS 的 CK6132 主軸的模態(tài)分析 CK6132 數(shù)控車床簡(jiǎn)介 CK6132 數(shù)控車床適用于加工短軸或盤類零件的各種內(nèi)外回轉(zhuǎn)表面，以及內(nèi)外公英制螺紋，且能夠進(jìn)行切槽和鉆、鏜、鉸孔加工。 第二章 數(shù)控車床的主傳動(dòng)設(shè)計(jì) 機(jī)床主傳動(dòng)變速系統(tǒng)的參數(shù) 此處省略 NNNNNNNNNNNN 字。 CK6132 車床主軸極限轉(zhuǎn)速為 nmin＝ 100r/min， nmax=1800r/min. ③主軸的調(diào)速范圍 Rn=nmax/nmin () ④計(jì)算轉(zhuǎn)速 車床主軸轉(zhuǎn)速不僅取決于切削速度而且還決定于工件的直徑。從 nj以下直到最低轉(zhuǎn)速 nmin 這個(gè)區(qū)域內(nèi)的各級(jí)轉(zhuǎn)速并不需要傳遞全部功率。電動(dòng)機(jī)為YD132M8/4, 轉(zhuǎn)速為 720/1440r/min，功率為 3/。主軸分級(jí)變速箱公比 φ Rap，所以 車床轉(zhuǎn)速在 380—950r/min 范圍內(nèi)功率不足（相當(dāng)于此時(shí)電機(jī)功率最低只有 3 380/950＝ ）。 第頁(yè)共 34 頁(yè) 第三章 主軸組件 對(duì)主軸組件的基本要求 主軸組件是機(jī)床的重要組成部分之一。 對(duì)車床主軸組件的要求，和一般傳動(dòng)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(dòng)件和軸承正常的工作條件。 當(dāng)主軸以工作轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，與低速時(shí)相比，其旋轉(zhuǎn)精度有所不同。 靜剛度 靜剛度或簡(jiǎn)稱剛度，反映了機(jī)床或部、組、零件抵抗靜態(tài)外載荷的能力。 第頁(yè)共 34 頁(yè) 抗振性 工件的振動(dòng)會(huì)影響工件的表面質(zhì)量、刀具的耐用度和主軸軸承的壽命，還會(huì)產(chǎn)生噪聲，影響工作環(huán)境。 熱變形 主軸組件的熱變形使主軸伸長(zhǎng)，使軸承的間隙發(fā)生變化。 由于受熱膨脹是材料的固有性質(zhì)，因此高精度機(jī)床如加工中心等要進(jìn)一步提高加工精度，往往受到熱變形的限制。如果裝有滑動(dòng)軸承，則軸頸的耐磨性對(duì)精度的保持影響很大。 滾動(dòng)軸承摩擦阻力小，可以預(yù)緊，潤(rùn)滑維護(hù)簡(jiǎn)單，能在一定的轉(zhuǎn)速范圍和載荷變動(dòng)范圍下穩(wěn)定工作，在數(shù)控機(jī)床上廣泛采用。滾動(dòng)軸承根據(jù)滾動(dòng)體的結(jié)構(gòu)分為球軸承、圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承三大類。 主軸軸承，主要應(yīng)根據(jù)精度、剛度和轉(zhuǎn)速來(lái)選擇。 ①雙列圓柱滾子軸承（ NNU4900K、 NN300K），內(nèi)孔為 1： 12的錐孔，與主的錐形軸頸相配合，軸向移動(dòng)內(nèi)圈，可把內(nèi)圈脹大，以消除徑向間隙或預(yù)緊，這種軸承只能承受徑向載荷。這種軸承與雙列圓柱滾子軸承相配套，用來(lái)承受軸向載荷。 α ＝ 150的編號(hào)為 7000C 型，屬特輕型；或編號(hào)為7190C 型，屬超輕型。高精度主軸可用 P2 級(jí)。它們的旋轉(zhuǎn)精度相當(dāng)于 P4 級(jí)和P2 級(jí)，而內(nèi)、外匿的尺寸精度則分別相當(dāng)于 P5 級(jí)和 P4 級(jí)。數(shù)控機(jī)床 ,可按精密級(jí)或高精度級(jí)選用。計(jì)算時(shí)，如果外載荷無(wú)法確定，可取額定動(dòng)載荷的 1/10 作為軸承載荷，計(jì)算結(jié)果一般代表軸承剛度。時(shí)的徑向和軸向載荷分別為： Fr=Fre+Fa0ctgα () Fa=Fae+Fao () 式中 Fre—— 徑向和軸向外載荷（ N） Fao—— 預(yù)緊力（ N） ， α —— 接觸角（ 0） CK6132 主軸軸承剛度計(jì)算 CK6132 主軸前支承采用 D3182115(NN30K)雙列圓柱滾予軸承，精寰等級(jí)相當(dāng)于 P5 級(jí)；后支承采用 D20xx113E 圓錐滾子軸承和 D8113 平底推力軸承，精度等級(jí)相當(dāng)于 P5 級(jí)。 主軸頭部的構(gòu)造，應(yīng)保證夾具、頂尖或刀具的準(zhǔn)確安裝，并便于裝卸，還應(yīng)盡量縮短主軸端的懸伸長(zhǎng)度。因此，只能根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，初步選擇主軸直徑。車床和銑床主軸的后軸頸的直徑等于（ — ） D。 在幾何形狀一 定時(shí)，主軸的剛度決定于材料的彈性模量。在頭部錐孔，定心軸頸或定心錐面等部位，高頻淬硬至 HRC50— 55。前端錐孔為莫氏錐度 5 號(hào)，材料 45 鋼。一般來(lái)講，靜力分析所施加的載荷包括外部施加的作用力和壓力、穩(wěn)態(tài)的慣性力（如重力和離心力等）、位移載荷（如支座位移等）、溫度載荷等。前者用于整個(gè)模型 在某一載荷步（時(shí)間點(diǎn)）的結(jié)果。 K=P/δ (N/μ m) （ ） 雖然多數(shù)機(jī)床可以用彎曲剛度作為衡量主軸組件剛度的指標(biāo)，但也有例外。 m2/rad) () 式中 MN—— 作用的鈕矩（ N有的工廠認(rèn)為在額定載荷下，最大撓度）， ymax≤ ，最大傾角 θ max≤ 。臥式銑床工作臺(tái)寬 B=200mm 和 250 mm時(shí)， K=100N/μ m； B=320mm 時(shí)， K=120N/μ m。在設(shè)計(jì)機(jī)床時(shí)，可以根據(jù)機(jī)床的尺寸和性能，事先規(guī)定一個(gè)最大切削寬度，從而求得對(duì)機(jī)床的剛度要求 K=Kabblim/2ζ (1+ζ ) 表 切削 45 鋼時(shí)的 Kab 和 β 值 切削速度v(m/min) 50 100 200 每轉(zhuǎn)或每齒進(jìn)給量（ mm） 切削系數(shù)（ N/μ m機(jī)床主振動(dòng)方向一般也不在 Y 向。 mm），由試驗(yàn)決定 ,見表 ； blim—— 該機(jī)床要求的極限切削寬度（ mm）； ζ —— 阻尼比，見表 ； β —— 變動(dòng)的切削力 P 與工件切削表面垂線的夾角見表 ； 第頁(yè)共 34 頁(yè) φ —— 刀具的主偏角（度）。 Kab 降低則 blim 將增加。這時(shí)的 Kab最大，即允許的 blim最小，這是偏于安全的。 表 主軸 組件的阻尼比 主軸組件的結(jié)構(gòu) 阻尼比 ζ 說(shuō) 明 滾動(dòng)軸承 雙列向心短圓柱滾子軸承，向心推力軸承 ~ 指主軸前軸承。為了分析車削加工出來(lái)的的零件的直線度誤差，精車加工（切削用量：n=1190r/min,ap=,f=，電機(jī)輸出功率 ），該工況稱為主軸的第三工況。CK6132 主軸利用 AUTOCAD 繪制三維模型，利用 ANSYS 的接口把 AUTOCAD 繪制的三維模型導(dǎo)入到 ANSYS 中進(jìn)行育限元 分析。對(duì)于有些單元必須輸入實(shí)常數(shù)，而對(duì)于有些單元?jiǎng)t不需要輸入實(shí)常數(shù)， solid95 實(shí)體單元就不需要輸入實(shí)常數(shù)。單元的劃分很方便，只須在相關(guān)的線或面上定義出單元的長(zhǎng)度或要?jiǎng)澐值谋壤?ANSYS 會(huì)自動(dòng)形成單元及節(jié)點(diǎn)，也可以用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分自動(dòng)生成網(wǎng)格。 1)施加約束或邊界條件 約束是定義一個(gè)結(jié)構(gòu)的固定部分，確定結(jié)構(gòu)上那些部分的那些自由度為 0。在 CK6132 主軸力載荷步中，切深抗力和進(jìn)給抗力施加在工件的切削點(diǎn)處，主切削力移到工件下方，該力平移產(chǎn)生的力矩在轉(zhuǎn)矩載荷步中處理，齒輪上的作用力等效為 Y坐標(biāo)方向、 Z坐標(biāo)方向的的力和一力偶，其中力施加于主軸的力載荷步，力矩在轉(zhuǎn)矩載荷步中處理（圖 ）。還提供了基于迭代求解法的 JGG（ the Jacobi Conjugate Gradient solver ）求解器、 PGG(the Preconditioned Conjugate Gradient solver) 求解器、 ICCG(the Inplete Cholesky Conjugate Gradient solver)求解器。包括列表、圖示分析結(jié)果，也可以動(dòng)態(tài)顯示振動(dòng)模型或其他分析圖形。設(shè)計(jì)機(jī)床主軸時(shí)，總要進(jìn)行剛度驗(yàn)算，用有限元法分析計(jì)算主軸組件剛度是一種有效的方法．主軸組件由軸承、主軸、軸上傳動(dòng)零件、卡盤和工組成，在分析主軸組件的剛度時(shí)，忽略軸上傳動(dòng)零件， 主軸的第一工況和第二工況齒輪在主軸上的位置不一樣，因此分別對(duì)兩工況下的剛度進(jìn)行 ANSYS 分析，主軸的第三工況屬 工件的精車階段，主軸組件的變形將直接影響工件的加工精度，為此，對(duì)工件在切深方向的位移進(jìn)行分析。刀具材料 — 硬 質(zhì)合金， γ =60 α =50。 要求 CK6132 車床穩(wěn)定性一般時(shí)極限切削寬度 blim=。 第頁(yè)共 34 頁(yè) 圖 主軸組件在切深方向的變形 第五章 基于 ANSYS 的 CK6132 主軸的模態(tài)分析 主軸的模態(tài)分析 模態(tài)分析的目的是確定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性（結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型），結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，也是更詳細(xì)的動(dòng)力分析（瞬態(tài)動(dòng)力分析、諧響應(yīng)分析、譜分析）的基礎(chǔ)。 CK6132 數(shù)控車床主軸組件的模態(tài)分析 ① 分析模型與主軸組件的剛度分析相似，只是不加力載荷。 4. 施加邊界條件 Main Menu:SolutionDefine LoadApplyStructuralDisplacementon node命令，選擇后端面所在的軸承，坐標(biāo)為（ ， ），施加 UY,UZ 的的二個(gè)約束。 查看列表中的信息確認(rèn)無(wú)誤后，單擊 OK 按鈕，開始求解。 第六章總結(jié) 數(shù)控車床主傳動(dòng) CK6132 數(shù)控車床主傳動(dòng)采用通用變頻器和普通異步交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。 （ 2） 電動(dòng)機(jī)的 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為 1440— 379r／ min，變頻器的頻率范圍為50Hz 一 13Hz。根據(jù)不出現(xiàn)切削自激振動(dòng)的條件判定，CK6132數(shù)控車床的切削穩(wěn)定性較差。老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、深厚的學(xué)術(shù)造詣、寬厚待人的品格使我 受益匪淺 ,將永遠(yuǎn)是我學(xué)習(xí)的楷模 ,并且將對(duì)我今后的學(xué)習(xí)工作產(chǎn)生積極的影響。 車床主軸運(yùn)動(dòng)參數(shù) ...................................................................................... 4 CK6132 數(shù)控車床主傳動(dòng)分析 ............................................................................ 6 主傳動(dòng)分析 ...................................................................................................... 6 結(jié)論 .............................................................................................................. 6 第三章 主軸組件 ...........................................................................................