【正文】 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(shí)間變化。前端錐孔為莫氏錐度 5 號，材料 45 鋼。精密機(jī)床的主軸，希望淬火應(yīng)力要小，這時(shí)可用 40Cr 或低合金鋼 20Cr， 16MnCr,12CrNi2A 等滲碳淬硬。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(shí)，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。車床和銑床主軸的后軸頸的直徑等于（ — ） D。因裝配的需要，主軸直徑常是從前向后逐段減少的。因此，只能根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，初步選擇主軸直徑。 第頁共 34 頁 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）不宜大于 。 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(shí)，還應(yīng)考慮主軸的加工和裝配的工藝性。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，精寰等級相當(dāng)于 P5 級；后支承采用 D20xx113E 圓錐滾子軸承和 D8113 平底推力軸承，精度等級相當(dāng)于 P5 級。 對于球軸承，剛度與載荷的 1/3 次冪成正比，預(yù)緊力對剛度的影響是明顯的，計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮預(yù)緊力。計(jì)算時(shí)，如果外載荷無法確定，可取額定動載荷的 1/10 作為軸承載荷，計(jì)算結(jié)果一般代表軸承剛度。 由上述公式可知，滾動軸承剛度是載荷的函數(shù)。數(shù)控機(jī)床 ,可按精密級或高精度級選用。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。它們的旋轉(zhuǎn)精度相當(dāng)于 P4 級和P2 級，而內(nèi)、外匿的尺寸精度則分別相當(dāng)于 P5 級和 P4 級。 P6 級和 P0 級一般不用。高精度主軸可用 P2 級。這種軸承為點(diǎn)接觸，剛度較低，為了提高剛度和承載能力，常用多聯(lián)組配的辦法 . 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。 α ＝ 150的編號為 7000C 型，屬特輕型；或編號為7190C 型，屬超輕型。常用的接觸角有兩種： α ＝ 250和 α ＝ 150。這種軸承與雙列圓柱滾子軸承相配套，用來承受軸向載荷。這類軸承多用于載荷較大、剛度要求高、中等轉(zhuǎn)速的地方。 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。線接觸的滾子軸承比點(diǎn)接觸的球軸承剛度高，但在一定溫升下允許的轉(zhuǎn)速較低。 主軸軸承，主要應(yīng)根據(jù)精度、剛度和轉(zhuǎn)速來選擇。角接觸軸承包括角接觸球軸承和圓錐滾子軸承，兼起徑向和推力 支承的作用。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。數(shù)控機(jī)床主軸組件在可能的條件下，盡量使用滾動軸承，特別是大多數(shù)立式主軸和主軸裝在套筒內(nèi)能夠作軸向移動的主軸。 滾動軸承摩擦阻力小，可以預(yù)緊，潤滑維護(hù)簡單，能在一定的轉(zhuǎn)速范圍和載荷變動范圍下穩(wěn)定工作，在數(shù)控機(jī)床上廣泛采用。常用高頻淬火。如果裝有滑動軸承，則軸頸的耐磨性對精度的保持影響很大。磨損后對精度有影 響的部位首先是軸承，其次是安裝夾具、或工件的部位如錐孔等。 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。溫度使主軸箱發(fā)生熱膨脹，使主軸偏離正確位置。 熱變形 主軸組件的熱變形使主軸伸長，使軸承的間隙發(fā)生變化。 影響抗振性的主要因素是主軸組件的靜剛度 、質(zhì)量分布和阻尼（特別是主軸前軸承的阻尼）。 第頁共 34 頁 抗振性 工件的振動會影響工件的表面質(zhì)量、刀具的耐用度和主軸軸承的壽命，還會產(chǎn)生噪聲，影響工作環(huán)境。 K=P/δ （ N/μ m） 影響主軸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)量和配置形式及預(yù)緊，滑動軸承的型式和油膜剛度，前后支承的距離和主軸前端的懸伸量，傳動件的卻置方式，主軸組件的制造和裝配質(zhì)量等。 靜剛度 靜剛度或簡稱剛度，反映了機(jī)床或部、組、零件抵抗靜態(tài)外載荷的能力。這時(shí)，還應(yīng)測定它在工作轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)時(shí)的 主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度決定于組件中各主要零部件如主軸、軸承等的制造精度和裝配、調(diào)整精度。 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。因此，對于主軸組件，又有許多特殊要求。 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。車床工作時(shí)，由主軸夾持著工件直接參加表面成形運(yùn)動。 第頁共 34 頁 第三章 主軸組件 對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。 ③電動機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為 1440～ 379r/min，變頻器的頻率范圍為 50Hz~13Hz。主軸分級變速箱公比 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＝ ）。 ① 動功率 P＝ 3KW ②主軸極限轉(zhuǎn)速和調(diào)速范圍 極限轉(zhuǎn)速： nmax=1800r/min nmin=100r/min 調(diào)速范圍（由 式得）： Rn=nmax/nmin=18 ③計(jì)算轉(zhuǎn)速（ 式得）： nj=nmin =238r/min ④主傳動系統(tǒng)分級變速器級數(shù) Z 主軸恒功率調(diào)速范圍 RnP=nmax/nj=1800/238= 電動機(jī)恒功率調(diào)速范圍（△ — YY 連接的雙速電動機(jī)，可視為電動機(jī)在901~1440r/min 為恒功率調(diào)速范圍 ）： Rap=1440/901= 取 φ ＝ Rap 則 Z=㏒ 10Rnp/㏒ 10φ =而 CK6132 取 Z=2，所以分級變速箱公比 φ Rap。電動機(jī)為YD132M8/4, 轉(zhuǎn)速為 720/1440r/min，功率為 3/。主軸能傳遞全部功率的最低轉(zhuǎn)速稱為主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速。從 nj以下直到最低轉(zhuǎn)速 nmin 這個(gè)區(qū)域內(nèi)的各級轉(zhuǎn)速并不需要傳遞全部功率。主軸所傳遞的功率或扭矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，稱為車床主軸的功率或扭矩特性 .主軸從最高轉(zhuǎn)速 nmax到某一轉(zhuǎn)速 nj之間，主軸應(yīng)能傳遞運(yùn)動源的全部功率。 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。 表 允許的極限切削速度參考值 （單位： m/min） 典型工藝和加工條件 vmax vmin 用硬質(zhì)合金刀具半精或加工碳鋼件 150300 用高速鋼刀具加工絲桿螺紋或鉸孔 26 ②主軸的極限轉(zhuǎn)速（ r/min） nmax={1000vmax/π dmin} nmin={1000vmin/π dmax} 計(jì)算車床主軸極限轉(zhuǎn)速時(shí)的加工直徑，按經(jīng)驗(yàn)分別取 dmin＝（ ～ ）D 和 dmax＝（ ～ ） D。 第二章 數(shù)控車床的主傳動設(shè)計(jì) 機(jī)床主傳動變速系統(tǒng)的參數(shù) 此處省略 NNNNNNNNNNNN 字。床身上最大回轉(zhuǎn)直徑 320mm ，最大加工長度 750mm，主軸轉(zhuǎn)速1001800r/min，主軸電動機(jī) YD112M8/4（功率 3/）。 主要研究內(nèi)容 ①數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì) 主傳動變速的參數(shù) 第頁共 34 頁 主傳動變速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 數(shù)控車床的主軸驅(qū)動方式 CK6132 數(shù)控車床主傳動系統(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。 綜合以上文獻(xiàn)資料可以發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)國外對機(jī)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，為我們對 CK6132 數(shù)控車床的主軸組件分析提供了參考。 課題的實(shí)用意義 CK6132 是我校用于實(shí)踐教學(xué)的一臺數(shù)控車床，配置國產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)，床身最大回轉(zhuǎn)直徑 320mm，最大加工長度 750mm，主軸采用通用變頻器和雙速電機(jī)驅(qū)動，主軸轉(zhuǎn)速范圍 100800rmp，該車床在使用過程中發(fā)現(xiàn)振動嚴(yán)重，無法進(jìn)行切槽、切斷加工。高速主軸單元（電主軸的轉(zhuǎn)速達(dá) 15000r/min1000000r/min），高速且高加／減速度的進(jìn)給運(yùn)動部件（快移速度 60m/min120m/min,切削進(jìn)給速度高達(dá) 60r/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(dá)到了新的技術(shù)水平。數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢是高速化和高精密化。 20 世紀(jì) 80 年代初，出現(xiàn)了加工中心或車削中心為主體，配備工件自動裝卸和監(jiān)控檢驗(yàn)裝置的柔性制造單元（ flexible manufacturing cell，簡稱 FMC。） 20世紀(jì) 60年代末，出現(xiàn)了直接數(shù)控系統(tǒng) DNC（ direct NC），即由一臺計(jì)算機(jī)直接管理和控制一群數(shù)控機(jī)床。此后，其他一些國家（如德國、英國、日本 、前蘇聯(lián)等）都開展了數(shù)控機(jī)床的控制開發(fā)和生產(chǎn)。數(shù)控機(jī)床是典型的技術(shù)密集且自動化程度很高的機(jī)電一體化加工設(shè)備。 和 對高速主軸一軸承系統(tǒng)的動力學(xué)特性進(jìn)行了詳細(xì)研究，指出在高速條件下滾動軸承的剛度隨轉(zhuǎn)速的升高而降低，導(dǎo)致主軸系統(tǒng)的固有頻率隨之下降。例如 Velagala 等人利用有限元法對車床主軸建模，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)，對其進(jìn)行靜、動態(tài)分析。 1969 年，英國 教授提出了等參單元的概念，從而使有限元法更加普及和完善，無論是在理論方面，還是在實(shí)踐方面都得到了飛速的發(fā)展。 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)來求解微分方程式。 1956 年，美國波音飛機(jī)制造公司 和 等人在分 第頁共 34 頁 析大型飛機(jī)結(jié)構(gòu)時(shí)，第一次采用了直接剛度法 ,給出了用三角形單元求解平面應(yīng)力問題的正確解答，從而開創(chuàng)了利用電子計(jì)算機(jī)求解復(fù)雜彈性平面問題的新局面。 1943年，數(shù)學(xué)家 首次提出離散的概念，他將一個(gè)連續(xù)的整體離散成有限個(gè)分段連續(xù)單元的組合，并第一次嘗試應(yīng)用三角形單元的分片連續(xù)函數(shù)和最小勢能原理相組合，來求解 St． Venant 扭轉(zhuǎn)問題。 本課題研究的目的是：利用有限元分析方法對機(jī)床主軸部件靜、模態(tài)性能進(jìn)行分析，找出現(xiàn)有設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié)；再利用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，對主軸部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高加工中心產(chǎn)品的性能和設(shè)計(jì)水平。上述比較傳統(tǒng)的方法獲得的計(jì)算結(jié)果大多用于不同結(jié)構(gòu)性能的定性分析和比較。由于計(jì)算繁冗，時(shí)間耗費(fèi)大，有些項(xiàng)目甚至無法計(jì)算。雖然這些計(jì)算公式的導(dǎo)出大多是依據(jù)強(qiáng)度方面的理論分析，并輔以試驗(yàn)方法和測試技術(shù)的研究，具有一定的科