【正文】 [11] 王慶五，左昉，胡仁喜，（第二版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007。[9] [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009。[7] [M].沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1997。[5] [M].天津：天津大學(xué)出版社，2002。[3] [D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2004。數(shù)控車床主軸關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)與應(yīng)力分析[參考文獻(xiàn)][1] [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005。爸爸媽媽為了我的學(xué)業(yè)辛勤地勞動，在經(jīng)濟(jì)上支持我；他們費(fèi)盡心思隱瞞一些不好的消息，就是為了給我釀造一個安靜的學(xué)習(xí)環(huán)境，讓我專心完成學(xué)業(yè)。謝謝你們。在我失落消極時你們給予我鼓勵，在我快樂得意時你們與我同樂，并會告誡我不要自滿。在你們的幫助和關(guān)愛下，我順利完成了此畢業(yè)論文，再次衷心感謝你們。在此衷心感謝姚斌教授對我的關(guān)心和指導(dǎo)。致謝語首先，感謝廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院為我提供了一個優(yōu)質(zhì)的學(xué)習(xí)環(huán)境和學(xué)習(xí)氛圍。本論文采用SOLIDWORKS進(jìn)行三維建模，工程圖的繪制，爆炸圖動畫的制作。以目前發(fā)展態(tài)勢來看，數(shù)控加工設(shè)備還在不斷的發(fā)展，向精度更高，性能更優(yōu)越，更易于操作等方向發(fā)展。最后對主軸進(jìn)行了ANSYS應(yīng)力分析，驗(yàn)證了軸的設(shè)計(jì)滿足要求，而且結(jié)果以圖片形式表達(dá)，具有易懂性，明了性。數(shù)控車床主軸關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)與應(yīng)力分析第九章 展望與結(jié)論在研究了數(shù)控車床的結(jié)構(gòu)及加工特點(diǎn)的前提下，分析了車床的制造和裝配的精度基礎(chǔ)，提出了數(shù)控車床的整體結(jié)構(gòu)裝配特點(diǎn)和標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了主軸結(jié)構(gòu)及前后支承的結(jié)構(gòu)解決了回轉(zhuǎn)精度、抗振性、及熱變形等問題，達(dá)到了設(shè)計(jì)前要求的加工精度目的。 主軸應(yīng)變云圖 通過上述分析，可以測得相應(yīng)的應(yīng)變云圖、應(yīng)力云圖，從圖中讀取各個應(yīng)力節(jié)點(diǎn)處的具體值，和前面的計(jì)算結(jié)果做比較，所得出的結(jié)果和計(jì)算的結(jié)果一致，故此處的有限元分析是正確的。 應(yīng)力云圖對話框設(shè)置 在ansys仿真結(jié)束后測得的。 施加完整約束模型7．施加載荷：Preprocessor→Loads→Define Loads→Apply →Structural→Force→On Nodes通過這個過程可以選擇所要施加的位置，在主軸靠近左端軸承處節(jié)點(diǎn)上施加Y、Z方向的力，在主軸右端端面外圓面上施加轉(zhuǎn)矩載荷。關(guān)于有限元網(wǎng)格的劃分的過程這里不再贅述，可以ANSYS參考相關(guān)書籍[11]或者仿照ANSYS HELP中的例子來進(jìn)行。5．網(wǎng)格劃分：為提高網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，對單元的大小以及網(wǎng)格規(guī)則進(jìn)行了嚴(yán)格的控制，本文中選擇映射網(wǎng)格進(jìn)行劃分。 分析類型的選擇模型3．定義材料屬性為：彈性模量E=105MPa，泊松比μ=，密度為ρ=106Kg/mm3。 ANSYS分析的一般流程1．導(dǎo)入主軸模型：將SOLIDWORKS中的主軸提取出來，通過ANSYS和SOLIDWORKS的數(shù)據(jù)接口直接將連接桿的模型導(dǎo)入到ANSYS中，為準(zhǔn)確計(jì)算結(jié)果還需將主軸的倒角去掉，同時將鉸孔填充，目的是避免應(yīng)力集中，同時得到的結(jié)果更加準(zhǔn)確。由主軸豎直方向力和力矩平衡分析得到： （87） （88）將，代入解得3．此外在Fr和F之間，主軸受到一個向紙面外轉(zhuǎn)動的扭矩。L1=30mm, L2=70mm, L3=500mm, L4=600mm。將，d代入上式，得到由主軸水平方向力和力矩平衡分析得到： （84） （85）將，, ,代入解得2．。為轉(zhuǎn)矩，單位：。為轉(zhuǎn)矩，單位：。 作用在軸上的轉(zhuǎn)矩： （81）其中，P為該軸的額定功率，單位：Kw。1．在俯視圖中。分析主軸時，分成兩個載荷步進(jìn)行求解，一個是力載荷步，另一個是轉(zhuǎn)矩載荷步。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度或要劃分的比例，ANSYS會自動形成單元及節(jié)點(diǎn)，也可以用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分自動生成網(wǎng)格，這里選擇映射網(wǎng)格。5．網(wǎng)格的劃分 結(jié)構(gòu)幾何模型建立后，在將它分成小網(wǎng)格以供后續(xù)計(jì)算。對于有些單元必須輸入實(shí)常數(shù)，而對于有些單元則不需要輸入實(shí)常數(shù)，Solid92實(shí)體單元就不需要輸入實(shí)常數(shù)。主軸分析選用的是Solid92實(shí)體單元。2．定義單元類型單元類型(Element Type)的定義用來決定用什么形狀的微元來離散主軸。主軸幾何模型的構(gòu)建，可以利用ANSYS提供的繪圖功能進(jìn)行繪制，也可以使用CAD軟件所提供的強(qiáng)大繪圖功能進(jìn)行圖形繪制。結(jié)果均用彩色云圖、矢量圖和列表來顯示[10]。前者用于整個模型在某一載荷步(時間點(diǎn))的結(jié)果。 施加載荷求解：定義分析類型(靜力分析)、施加載荷和邊界條件、求解。一般來講，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。所謂固定不變的載荷作用，指結(jié)構(gòu)受到的外力大小、方向均不隨時間變化。 首先根據(jù)設(shè)計(jì)畫出所需的零件，然后查手冊找到所需的標(biāo)準(zhǔn)件[8]，最后對這些零件進(jìn)行裝配，生成三維裝配圖， 是三維裝配圖，—Y截面剖視圖，,。軸向欲緊采用螺母，其欲緊量查有關(guān)手冊[8]。后端支承為圓柱滾子軸承，由于需要徑向欲緊，故配合為過度配合，裝配時用木錘敲打裝配。這樣裝配方法滿足了前端受到較大的軸向力要求和徑向力要求。本設(shè)計(jì)中采用灰鑄鐵鑄造箱體，牌號為HT200。 總之，經(jīng)過計(jì)算得，此軸的設(shè)計(jì)滿足剛度要求。Mn為轉(zhuǎn)矩，單位：N?m。此處，由圓軸扭轉(zhuǎn)角的簡化計(jì)算公式得，其中L1為軸所受轉(zhuǎn)矩的作用長度，對于此設(shè)計(jì)，L1=570mm, （512）其中，P為該軸的額定功率，單位：Kw。 主軸組件計(jì)算模型軸的扭轉(zhuǎn)變形，用每米軸長的扭轉(zhuǎn)角來表明。最大偏轉(zhuǎn)角發(fā)生在F的作用點(diǎn)處。，對于受力情況如此的軸，在處。 下面對所設(shè)計(jì)的軸進(jìn)行剛度計(jì)算。主軸后軸承采用雙列圓柱滾子軸承(型號為NN3016)。 此設(shè)計(jì)中前軸承采用雙列圓柱滾子軸承(型號為NN3020)，主要承受徑向載荷。只有對粗加工、重載荷的主軸才需要進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，對高速主軸，必要時要進(jìn)行臨界轉(zhuǎn)速驗(yàn)算，以防止共振現(xiàn)象的發(fā)生。 軸的結(jié)構(gòu)圖 軸承選用如下：后支承：圓錐孔雙列圓柱滾子軸承（NN3016型），前支承：兩個推力球軸承（51120型）和一個圓錐孔雙列圓柱滾子軸承（NN3020型）組配。 綜上所述本設(shè)計(jì)主軸前端軸頸的直徑100(mm)，后端軸頸的直徑80(mm)，通孔直徑60(mm)。精密機(jī)床的主軸，希望淬火應(yīng)力要小，這時可用40Cr或低合金鋼20Cr，16MnCr5，12CrNi2A等滲碳淬硬[8]。在頭部錐孔，定心軸頸或定心錐面等部位，高頻淬硬至HRC50~55。 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。 在幾何形狀一定時，主軸的剛度決定于材料的彈性模量。因此在一般情況下，強(qiáng)度不是需要考慮的主要問題。下面就本設(shè)計(jì)進(jìn)行計(jì)算： 本設(shè)計(jì)的軸承為，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級，前支承：兩個推力球軸承(51000型)和一個圓錐孔雙列圓柱滾子軸承(NN3000K型)，[9]可得KA的估算值為 （51） （52） （53） （54） 由于后支承剛度對主軸的剛度影響較小，估算時可按進(jìn)行計(jì)算，由，得到， 主軸軸承配置形式及前支承剛度KA的估算式,合理跨距 （55） , （56）取L=400mm所以主軸支承跨距L=400mm。 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，105N/mm左右，I(mm4)為主軸截面的平均慣性矩，,分別為前后支承的剛度，單位。主軸跨距是主軸系統(tǒng)動靜剛度的重要影響因素，主軸軸端受力F作用后，其軸端的彈性變形為y，當(dāng)所設(shè)計(jì)的支承跨度時，可使主軸部件的剛度K最大，L0成為“最佳跨距”。 主軸懸伸量與前軸頸直徑之比車床和主軸類型精密車床、自動車床用滾動軸承支承，適用高精度和普通精度要求~中等長度和較長主軸端的車床和銑床，懸伸不太長（不是細(xì)長）的精密鏜床和內(nèi)圓磨床，用滾動軸承和滑動軸承支承適用于絕大部分普通生產(chǎn)要求~ ，D1=100mm,計(jì)算取懸伸量a為80mm。無論從理論分析還是從實(shí)際測試的結(jié)果來看，懸伸量與主軸部件的剛度及抗振性成反比，主軸懸伸量a越小越能提高主軸部件的剛度，因此主軸懸伸量應(yīng)盡量取小值?？紤]到這，推薦值[8]本設(shè)計(jì)取，上面已經(jīng)算出D1=100mm，所以主軸內(nèi)徑d=60mm。確定內(nèi)孔徑原則是：為減輕主軸重量，在滿足不削弱主軸剛度的要求下，應(yīng)取較大值。[9]。主軸前軸頸直徑D1應(yīng)在合理的范圍內(nèi)盡量選大些。一般步驟是首先確定前軸頸直徑D1,然后確定內(nèi)徑d和主軸前端的懸伸量a，最后再根據(jù)D、a和主軸前支承的剛度確定支承跨距L。車床主軸是空心的，為了能通過較粗的棒料，中孔直徑常希望大一些，但中孔對主軸剛度是有影響的，d／D(d和D分別為中孔和主軸的直徑)。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度。同時，還應(yīng)考慮主軸的加工和裝配的工藝性。所以，設(shè)計(jì)合適。1．由設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行試算，即 （43）2．確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值（1）試選載荷系數(shù)[8]Kt=（2）計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 T1=105Pmn=105=104N?mm （44）（3）選取齒寬系數(shù)[8]?d=1（4）查得材料的彈性影響系數(shù)[8]（5）按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限[8]σHlim1＝600MPa；大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限σHlim2＝550MPa；（6）計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N1＝60n2jLh＝601（2830015）＝109N2＝N1/2＝109（7）查得接觸疲勞壽命系數(shù)[8]KHN1＝；KHN2＝（8）計(jì)算接觸疲勞許用