【文章內(nèi)容簡介】 eam 理論，將能交互地預(yù)測主軸在刀尖處的頻率響應(yīng)函數(shù)。 Purdue University 的 Li． Hong qi 等對高速主軸的集成熱動力模型的求解進行了研究，并開發(fā)了綜合求解高速主軸 — 軸承系統(tǒng)的計算機程序，用以求解軸承的剛度、接觸載荷、溫度和主軸的動態(tài)特性和響應(yīng)、溫度分布和熱膨脹等。 波蘭 Technical University of Lublin 的 J Montusiewicz 對靜壓軸承的機床主軸系統(tǒng)的計算機輔助優(yōu)化 進行了研究，建立了靜壓軸承的主軸系統(tǒng)的一般模型，開發(fā)了磨床和車床的計算機優(yōu)化設(shè)計軟件包。印度的 Bais． 等對鉆床的模態(tài)測試模態(tài)辨識進行了研究，建立了鉆床的有限元模型。 廈門大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 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。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。 昆明理工大學(xué)梁祖峰對 TH6350 加工中心主軸系統(tǒng)進行了實驗?zāi)B(tài)分析，從理論上對模態(tài)分析、參數(shù)識別、相關(guān)的信號分析以及實驗方法進行了討論。 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，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。 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) 。 常州工學(xué)院張宇應(yīng)用有限元法建立了一個機床 主軸部件的數(shù)學(xué)模型，用來計算主軸部件及各類軸類部件的動態(tài)特性。沈陽工業(yè)學(xué)院史安娜等對臥式加工中心主軸部件的動靜態(tài)特性進行了分析，主要討論了軸承預(yù)緊力和前后支承剛度對主軸固有頻率的影響。 寧夏大學(xué)劉晶對某型數(shù)控機床，建立了它的主軸組件的有限元動力學(xué)模型，并對主軸單元的動態(tài)特性進行了計算分析。 1 緒論 9 福州大學(xué)施孟貴應(yīng)用傳遞矩陣法原理編制程序，對 C6240F 車床的主軸部件動態(tài)特性參數(shù)進行分析計算。 齊齊哈爾第一機床廠的婁曉鐘等對 12． 5m立式車床的關(guān)鍵零部件進行了有限元分析。 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 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； 用 SolidWorks 對所涉及的數(shù)控機床關(guān)鍵零部件進行三維建模； 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。 研究內(nèi)容 數(shù)控車床主軸 結(jié)構(gòu) 設(shè)計 主軸組件的基本要求 車床主軸常用滾動軸承 主軸的 主要參數(shù) 設(shè)計 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)計前提 設(shè)計要求 本設(shè)計為 數(shù)控機床關(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，主軸脈沖發(fā)生器等組成。 主軸是加工中心的關(guān)鍵部位，其結(jié)構(gòu)優(yōu)劣對加工中心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 。 1 緒論 11 設(shè)計 參數(shù) 參數(shù)： P=， n=1450r/min， 切削力 為 85N 廈門大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 2 對 主軸 組件 的要求 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。 基本要求 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3 對主軸組件的要求 13 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(zhì)量等。 各類機床主軸組件的剛度目前尚無統(tǒng)一的標準。 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 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(shè)計時參考。 廈門大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 升溫和熱變形 主軸組件工作時因各相對運動的處的摩擦和攪油等而發(fā)熱，產(chǎn)生溫升，從而使主軸組件的形狀和位置發(fā)生變化（熱變形）。 主軸組件受熱伸長，使軸承間隙發(fā)生變化。溫度是使?jié)櫥驼扯冉档停档土溯S承的承載能力。主軸箱因溫升而變形，使主軸偏離正確位置。前后軸承的溫度不同，還會導(dǎo)致主軸軸線傾斜。 由于受熱膨脹是材料固有的性質(zhì)，因此高精度機床要進一步提高加工精度，往往受熱變形 的限制。研究如何減少主軸組件的發(fā)熱，如何控制溫度，是高精度機床主軸組件的研究的主要課題之一。 耐磨性 主軸組見的耐磨性是指長期保持原始精度的能力，即精度保持性。對精度有影響的首先是軸承，其次是安置刀，夾具和工件的部位，如錐孔，定心軸徑等。 為了提高耐磨性，一般機床主軸上的上述部分應(yīng)淬 火 至 硬度 HRC60 左右，深約 1mm. 材料和熱處理 主軸承載后允許的彈性變形很小，引起的應(yīng)力通常遠遠小于鋼的強度極限。因此，選材的依據(jù) 一般不用強度 。 3 對主軸組件的要求 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。各種材料的彈性模量幾乎相同，因此剛度也不是選材的依據(jù)。 主軸材料的選擇主要根據(jù)耐磨性和熱處理變形來考慮。普通機床的材料通常是 45 號或 60 號優(yōu)質(zhì)中碳鋼，數(shù)控機床需調(diào)質(zhì)處理。 主軸的結(jié)構(gòu) 為了提高剛度，主軸的直徑應(yīng)該大些。前軸承到主軸前端的距離（稱懸伸量）應(yīng)盡可能小一些。為了便于裝配，主軸通常 做 成階梯形的，主軸的結(jié)構(gòu)和形狀與主軸上所安裝的傳動件，軸承等零件的類型，數(shù)量，位置和安裝方法有直接的關(guān)系。 主軸中孔用與通過棒料，拉桿或其它工具。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%。 廈門大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 16 3 主軸軸承的選擇 軸承的選型 主軸軸承是主軸組件的重要組成部分，它的類型、結(jié)構(gòu)、配置、精度、安裝、調(diào)整、潤滑和冷卻都直接影響了主軸組件的工作性能。在數(shù)控機床主軸上常用的軸承有滾動軸承和滑動軸承。 滾動軸承摩擦阻力小，可以欲緊，潤滑維護簡單，能在一定的轉(zhuǎn)速范圍和載荷變動范圍下穩(wěn)定地工作。滾動軸承有專業(yè)化工廠生產(chǎn)，選購維修方便，在數(shù)控機床上被廣泛采用。雖然與滑動軸承相比，滾動軸承的噪聲大，滾動體的數(shù)目有限，剛度是變化的，抗震 性略差，但總體來說，數(shù)控機床主軸組件在可能的條件下，應(yīng)盡量使用滾動軸承，特別是大多數(shù)立式主軸和主軸在套筒內(nèi)能夠作軸向移動的主軸。這時用滾動軸承可以用潤滑脂潤滑，以避免漏油。 由于滾動軸承有許多優(yōu)點，加之加工精度的提高，所以，一般情況下數(shù)控機床應(yīng)盡量采用滾動軸承，只有要求加工表面粗糙度數(shù)值和小時，且主軸又是水平的機床時才用滑動軸承，而本設(shè)計內(nèi)容為小型加工中心主軸組件設(shè)計，所以要選用滾動軸承了。 滾動軸承根據(jù)滾動體的結(jié)構(gòu)分為球軸承、圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承三大類。 主軸支承分徑向和推力支承。角接觸軸承包括角接觸 球軸承和圓錐滾3 主軸軸承的選擇 17 子軸承，兼起徑向和推力支承的作用。主軸軸承，可選用圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承和角接觸球軸承。 主軸軸承，主要應(yīng)根據(jù)精度、剛度和轉(zhuǎn)速來選擇。為了提高精度和剛度，主軸軸承的間隙應(yīng)該是可調(diào)的。線接觸的滾子軸承比點接觸的球軸承剛度高，但在一定溫升下允許的轉(zhuǎn)速較低。下面簡述幾種常用的數(shù)控機床主軸軸承的結(jié)構(gòu)特點和適用范圍。 雙列圓柱滾子軸承 (NNU4900K、 NN3000K)， 如圖 所示， 特點是內(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。 NNU4900K系列雙列圓柱滾 圖 雙列圓柱滾子軸承 子軸承內(nèi)圈可分離， NN3000K 雙列圓柱滾子軸承外圈可分離。這類軸承多用于載荷較大、剛度要求高、中等轉(zhuǎn)速的地方。 雙向推力角接觸球軸承 BTAA／ BTAB。這種軸承與雙列圓柱滾子軸承相配套，用來承受軸向載荷。 角接觸球軸承 (70C／ 70AC)， 這種軸承既可以承受徑向載荷又可以承受軸廈門大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 18 向載荷。常用的接觸角主要有兩種： ａ =25176。，ａ 1=15176。，其中 ａ =25176。的編號為 7000AC 型（舊代號為 46100 型），屬于特輕型；或編號為 7190AC 型（舊代號為 46900 型），屬于超輕型。 ａ 1=15176。的編號為 7000C 型（舊代號為 36100型），屬于特輕型；或編號為 7190C 型；或編號為 7190C型（舊代號為 1036900型），屬于超輕型。如圖 所示 。 角接觸球軸承多用于高速主軸，水接觸角的不同有所區(qū)別， α=25176。的軸向剛度較高，但徑向剛度和允許的轉(zhuǎn)速略低，多用于車、鏜、銑加工中心等主軸； α=15176。的轉(zhuǎn)速可更高一些，打扮軸向剛度較低，常用于軸向載荷較小、轉(zhuǎn)速較高的磨床主軸或不承受載荷的車、鏜、銑主軸后軸承。這種軸承為點接觸，剛度較低。為了提高剛 度和承載能力，常用多聯(lián)組的方法。 圖 雙列圓柱滾子軸承 3． 2 軸承精度 軸承的精度，分為 0 五級 ， 其中 2 級最高， 0 級為普通精度級。主軸軸承以 4 級為主 (記為 P4)。高精度主軸可用 P2 級。要求較3 主軸軸承的選擇 19 低的主軸或三支承主軸的輔助支承可用 P5 級。 P6 級和 P0 級一般不用。此外又規(guī)定了 2 種輔助精度等級 SP(特殊精密級 )和 UP(超精密級 )。 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。因此，軸承內(nèi)、外徑的公差即使寬些也不影響工作精度，但卻降低了成本。 不同精度等級 的機床，主軸軸承的精度可參照表 選用。數(shù)控機床，可按精密級或高精度級選用。 表 主軸軸承精度 機床精度等級 前軸承 后軸承 普通精度等級 P5 或 P4（ SP） P5 或 P4（ SP） 精密級 P4（ SP）或 P2（ UP） P4（ SP） 高精度級 P2（ UP） P2（ UP） 軸承間隙調(diào)整和欲緊 主軸軸承的內(nèi)部間隙，必須能夠調(diào)整。多數(shù)軸承，還應(yīng)能夠在過盈狀態(tài)下工作，使?jié)L動體和滾道之間有一定的欲變形，這就是軸承的欲緊。 軸承欲緊后，內(nèi)部無間隙，滾動體從各個方向支承主軸，有利于提高運動精度。滾動 體的直徑不可能絕對相等，滾道也不可能絕對正圓，因而欲緊前只有部分滾動體和滾道接觸。欲緊后，滾動體和滾道都有了一定的變形，參加工作的滾動體將更多，各滾動體的受力將更均勻。這都有利于提高軸廈門大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 20 承的精度、剛度和壽命。如主軸產(chǎn)生振動，則由于各個方向都有滾動體支承，可以提高抗振性。但是，欲緊后發(fā)熱較多，溫升較高；且太大的欲緊將使軸承的壽命降低，故欲緊要適當(dāng)。本設(shè)計為小型加工中心主軸組件設(shè)計，功率相對較小，所以取中欲緊 。 本設(shè)計的 軸承 型號以及布局 根據(jù)上述軸承選用的要求結(jié)合本設(shè)計的要求，軸承選用如下：后支承：圓錐孔雙 列圓柱滾子軸承 (NN3000K 型 )精度等級相當(dāng)于 P5