【正文】 參數(shù)的計(jì)算及校核 ..............................................................28 5． 1 主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .....................................................................28 主軸的主要參數(shù)的計(jì)算 ............................................................28 前軸頸直徑 D1..................................................................29 主軸內(nèi)徑 d .......................................................................29 主軸懸伸量 a 確定： ........................................................30 主軸支承跨距的確定 ........................................................31 主軸材料及熱處理 ....................................................................34 主軸設(shè)計(jì)方案 ............................................................................35 軸的剛度計(jì)算 ............................................................................35 軸的彎曲變形計(jì)算 ............................................................36 軸的扭轉(zhuǎn)變形計(jì)算 ............................................................37 ............................................................................................39 7． Solid Works 三維實(shí)體設(shè)計(jì)裝配 .......................................................40 8. 主軸部件的 ANSYS 應(yīng)力分析 .........................................................42 主軸靜力分析概述 ....................................................................42 廈門大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 IV 主軸 ANSYS 分析的一般過程 .................................................. 43 主軸的受力分析： .................................................................... 44 主軸 ANSYS 分析的具體過程 ................................................ 47 結(jié)論 ........................................................................................ 54 致 謝 ................................................................................................ 55 參考文獻(xiàn) .............................................................................................. 56 中文摘要 I 中文摘要 【 摘要 正文 】 本 文 首先介紹了數(shù)控機(jī)床和有限元分析的發(fā)展，分析了國(guó)內(nèi)外機(jī)床動(dòng)靜態(tài)特性研究現(xiàn)狀，之后以 數(shù)控車床的主軸及其零部件 的設(shè)計(jì) 為主要內(nèi)容 ， 先 講述了數(shù)控機(jī) 床的 主軸部件的 設(shè) 計(jì)要求 ， 合理選擇軸承型號(hào)，設(shè)計(jì)出主軸的 前軸頸直徑D1，主軸內(nèi)徑 d,前端的懸伸量 a 和主軸支承跨距 L 等，從而 設(shè)計(jì)出主軸，之后選擇具體的軸承，設(shè)計(jì)出 軸承端蓋和主軸箱體，提出了主軸的材料、熱處理和技術(shù)要求 等 。實(shí)現(xiàn)加工機(jī)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。后來他在構(gòu)成整個(gè)區(qū)域的三角形分區(qū)上引進(jìn)分段插值函數(shù)或形函數(shù)，將此作為一種得到近似數(shù)值解的方法。 Clough 在 1960年在用三角形單元和矩形單元進(jìn)行平面應(yīng)力分析時(shí)引進(jìn)了“有限元”習(xí)慣用語。 Zienkiewicz 等人 1968 年將有限元方法擴(kuò)充到粘彈性問題。當(dāng)今有限元法已成為在工程分析中獲得廣泛應(yīng)用的數(shù)值 計(jì)算方法。 Trecker)首次成功開發(fā)了加工中1 緒論 5 心 (machining center,簡(jiǎn)稱 MC)，這是一種有自動(dòng)換刀裝置和回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的數(shù)控機(jī)床，可以在一次裝 夾中對(duì)工件的多個(gè)平面進(jìn)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 )。隨著超高速切削機(jī)理、超硬耐磨長(zhǎng)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(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件以及高性能控制系統(tǒng)和防護(hù)裝置等一系列技術(shù)廈門大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 領(lǐng)域中關(guān)鍵技術(shù)的解決，新一代高速數(shù)控機(jī)床將應(yīng)用于機(jī)械制造業(yè)。上世紀(jì) 60 年代以前，基本上采用經(jīng)驗(yàn)類比法進(jìn)行主軸的結(jié) 構(gòu)和動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)。 波蘭 Technical University of Lublin 的 J Montusiewicz 對(duì)靜壓軸承的機(jī)床主軸系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化 進(jìn)行了研究，建立了靜壓軸承的主軸系統(tǒng)的一般模型，開發(fā)了磨床和車床的計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件包。 常州工學(xué)院張宇應(yīng)用有限元法建立了一個(gè)機(jī)床 主軸部件的數(shù)學(xué)模型，用來計(jì)算主軸部件及各類軸類部件的動(dòng)態(tài)特性。 研究?jī)?nèi)容 數(shù)控車床主軸 結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì) 主軸組件的基本要求 車床主軸常用滾動(dòng)軸承 主軸的 主要參數(shù) 設(shè)計(jì) 廈門大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 車床主軸 組件的三維建模 零件圖的繪制 標(biāo)注件的選用 裝配圖繪制 主軸的 ANSYS 分析 三維建模 網(wǎng)格劃分 加載約束和載荷 應(yīng)力分析結(jié)果 設(shè)計(jì)前提 設(shè)計(jì)要求 本設(shè)計(jì)為 數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)與應(yīng)力分析 ， 關(guān)鍵零部件 主要由主軸箱，主軸，電動(dòng)機(jī)，主軸脈沖發(fā)生器等組成。 特殊要求 主軸是直接帶著工件進(jìn)行切削的，機(jī)床的加工質(zhì)量，在很大程度上要靠主軸組件保證。 各類機(jī)床主軸組件的剛度目前尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。主軸箱因溫升而變形，使主軸偏離正確位置。 3 對(duì)主軸組件的要求 15 主軸的形狀，尺寸確定之后，剛度主要取決于材 料的彈性模量。為了能夠通過更大的棒料，車床的中空希望大 些，但受剛度條件的影響和限制，孔徑一般不宜超過外徑的 70%。 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。 雙列圓柱滾子軸承 (NNU4900K、 NN3000K)， 如圖 所示， 特點(diǎn)是內(nèi)孔為 l： 12 的錐孔，與主軸的錐形軸頸相配合，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。其中 ａ =25176。這種軸承為點(diǎn)接觸，剛度較低。 由于軸承的工作精度主要決定于旋轉(zhuǎn)精度，箱體孔和主軸軸頸是根據(jù)一定的間隙和過盈要求配作的。欲緊后，滾動(dòng)體和滾道都有了一定的變形，參加工作的滾動(dòng)體將更多，各滾動(dòng)體的受力將更均勻。 由于此處的傳動(dòng)系統(tǒng)為 7 級(jí)精度圓柱直齒輪傳動(dòng)，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)取，所以 為滿足 的條件，電動(dòng)機(jī)的額定功率 應(yīng)該取 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的選擇 根據(jù)已知條件，主軸轉(zhuǎn)速為 1450r/min，選同步轉(zhuǎn)速為 3000 r/min 的電動(dòng)機(jī)，對(duì)應(yīng)額定功率 為 ，其型號(hào)為 Y132S12。 按照齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行試算，即 3 主軸軸承的選擇 23 ? ? 2231 2 1 ()t HEt dHKT ZZud u?? ? ??? 1） 確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 （ 1） 試選載荷系數(shù) （ 2） 計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 （ 3） 選取齒寬系數(shù) （ 4） 查得材料的彈性影響系數(shù) MPa? （ 5） 按齒 面硬 度查 得小 齒輪 的接 觸疲 勞強(qiáng) 度極 限σ Hlim1 ＝600MPa；大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限σ Hlim2＝ 550MPa； （ 6） 計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) N1＝ 60n2jLh＝ 60 1（ 2 8 300 15）＝ 109 N2＝ N1/2＝ 109 （ 7） 查得接觸疲勞壽命系數(shù) KHN1＝ ； KHN2＝ （ 8） 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效概率為 1％，安全系數(shù) S＝ 1，得 [σH]1＝ 600MPa＝ 540MPa [σH]2＝ 550MPa＝ 2） 計(jì)算 （ 1） 試算小齒輪分度圓直徑 ，代入 [ ]中較小的值 廈門大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 24 mm = （ 2） 計(jì)算圓周速度 （ 3） 計(jì)算齒寬 b 及模數(shù) ntm （ 4） 計(jì)算齒寬與齒高之比 b/h 模數(shù) 齒高 （ 5） 計(jì)算載荷系數(shù) K 根據(jù) v=,7 級(jí)精度，查得動(dòng)載系數(shù) ； 直齒輪，假設(shè) ，查得 已知載荷平穩(wěn)，查得使用系數(shù) 1AK? 7 級(jí)精度，小齒輪相對(duì)支承對(duì)稱布置時(shí)，查得 將數(shù)據(jù)代入后，得到， 由 和 查得 3 主軸軸承的選擇 25 故載荷系數(shù) （ 6） 按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑，由式（ 10— 10a）得 計(jì)算 模數(shù) m 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為 ? ?223 212 c o s F a S an dFK T Y YYm z? ? ?? ? ?? 1) 確定計(jì)算參數(shù) （ 1） 查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 ； 大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 ； （ 2） 查得彎曲疲勞壽命系數(shù) （ 3） 計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取彎曲疲勞安全系數(shù) S=，得到 （ 4） 計(jì)算載荷系數(shù) K 廈門大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 26 （ 5） 查詢齒形系數(shù) 查得 ； （ 6） 查取應(yīng)力校正系數(shù) ； （ 7） 計(jì)算大小齒輪的 并加以比較 大齒輪的數(shù)值大。 主軸的主要參數(shù)的計(jì)算 主軸的主要參數(shù) 包括 主軸 的平均直徑 D(或前軸頸 直徑 D1)， 主軸內(nèi)徑d（對(duì)于空心主軸而言） ,前端的 懸伸量 a 和主軸支 承 跨距 L 等。 廈門大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 30 主軸的孔徑大小主要受主軸剛度的制約 ，孔徑 d 對(duì)主軸剛度的影響是通過抗彎截面慣性矩體現(xiàn)的，即主軸本身的剛度 K 正比于抗彎截面慣性矩I，其關(guān)系為： 41KI d= =1K I D??? ????空 空實(shí) 實(shí) 可以得出 主軸的孔徑與主軸直徑之比，小于 時(shí)空心主軸的剛度幾乎與實(shí)心主 軸相等；等于 時(shí)空心主軸的剛度為時(shí)新主軸的 90%；大于 時(shí)，空心主軸的剛度就急劇下降 ， 一般可取其比值為 左右。 圖 主軸最佳跨距的計(jì)算線圖 上述式中， E 為主軸材料的彈性模量，各種鋼材的 E 的均值在左 右 ， I( ) 為 主 軸 截 面 的 平 均 慣 性 矩 ，44()64DdI ? ?? , KKAB、 分別為前后支承的剛度，單位 ? 。 主軸材料的選擇，主要應(yīng)根據(jù)耐磨性和熱處理后變形的大小來選擇。 La 圖 軸 承布置 以及距離要求 軸的剛度計(jì)算 對(duì)于一般機(jī)床主軸，主要進(jìn)行剛度驗(yàn)算，通常能滿足剛度要求的主軸也廈門大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 36 能滿足強(qiáng)度要求。 軸的彎曲變形計(jì)算 參照一般機(jī)械制造業(yè)中，查閱軸的許用撓度 [y]和許用偏轉(zhuǎn)角 []? 的表格，得到一般用途的軸，許用撓度 m a x[ ] ( 0. 00 03 0. 00 05 )yL? :， L 為支承 跨距。本設(shè)計(jì)中采用 灰鑄鐵 鑄造箱體 ，牌號(hào)為 HT200。 首先根據(jù)設(shè)計(jì)畫出所需的零件，然后查手冊(cè)找到所需的標(biāo)準(zhǔn)件，最后對(duì)這些零件進(jìn)行裝配，生成三維裝配圖，如圖 所示是設(shè)計(jì)的軸的三維零件圖，圖 所示是所用的 雙列圓柱滾子軸承，如圖 是三維裝配圖。前者用于整個(gè)模型在某一載荷步 (時(shí)間點(diǎn) )的結(jié)果。 主軸分析選用的是 Solid92 實(shí)體單元。分析主軸時(shí)，分成兩個(gè)載荷步進(jìn)行求解，一個(gè)是力載荷步，另一個(gè)是轉(zhuǎn)矩載荷步