【正文】 Y 截面剖切圖 ................................................ 49 數(shù)控車床主軸關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)與應(yīng)力分析 3 數(shù)控車床主軸關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)與應(yīng)力分析 [摘要 ] 本 文 首先介紹了數(shù)控機(jī)床和 工程圖及 CAD 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 。最后 將 所畫的 車床主軸 導(dǎo)入 ANSYS 進(jìn)行網(wǎng)格化分，計(jì)算出主軸所受到的力，之后施加約束和載荷，最后得出 對(duì)主軸進(jìn)行靜應(yīng)力分析 結(jié)果 ，得到主軸的應(yīng)力分布，進(jìn)而分析主軸的受力狀況，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性 同時(shí)對(duì)實(shí)踐進(jìn)行指導(dǎo) 。數(shù)控機(jī)床由于眾多的優(yōu)點(diǎn)已成為現(xiàn)代機(jī)床發(fā)展的主流方向。 現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床是信息集成和系統(tǒng)自動(dòng)化的基礎(chǔ)設(shè)備，它集高效率、高精度、高柔性于一身，具有加工精度高、生產(chǎn)效率高、自動(dòng)化程度高、對(duì)加工對(duì)象的適應(yīng)強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)?？梢哉f(shuō)，機(jī)械制造競(jìng)爭(zhēng)的實(shí)質(zhì)就是數(shù)控技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)。通過(guò)設(shè)計(jì)分析比較機(jī)床的某些典型機(jī)構(gòu)，進(jìn)行選擇和改進(jìn)，學(xué)習(xí)構(gòu)造設(shè)計(jì)，進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算和編寫技術(shù)文件，達(dá)到學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)步驟和方法的目的。通過(guò)設(shè)計(jì)獲得設(shè)計(jì)工作的基本技能的訓(xùn)練，提高分析和解決工程技術(shù)問(wèn)題的能力，并為進(jìn)行一般機(jī)械的設(shè)計(jì)創(chuàng)造一定的條件。另外 本設(shè)計(jì) 采用有限元分析軟件ANSYS 對(duì)主軸的應(yīng)力， 位移等進(jìn)行分析，不但大大地減少了設(shè)計(jì)計(jì)算驗(yàn)算的時(shí)間，而且使分析數(shù)據(jù)更加完善更加準(zhǔn)確。 國(guó)內(nèi)外研究狀況 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展 數(shù)控車床主軸關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)與應(yīng)力分析 2 數(shù) 控 機(jī) 床 (numerical control machine tool)是 采 用 了 數(shù) 字 控 制 技 術(shù)(numerical control 簡(jiǎn)稱 NC)的機(jī)械設(shè)備，就是通過(guò)數(shù)字化的信息對(duì)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)及其加工過(guò)程進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)要求的機(jī)械動(dòng)作，自動(dòng)完成加工任務(wù) [1]。 第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床是由美國(guó) Parsons 公司與美國(guó)麻省大理工學(xué)院 (MIT)于 1952年合作研制成功的，當(dāng)時(shí)是為了加工直升飛機(jī)螺旋槳葉片輪廓的檢查樣板。 Trecker)首次成功開(kāi)發(fā)了加工中心 (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 )。高速主軸單元 (電主軸的轉(zhuǎn)速達(dá) 15000r／ min 一 1000000 r／ min)，高速且高加 /減速度的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件 (快移速度 60m／ min120m／ min，切削進(jìn)給速度高達(dá) 60m／ 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 [1]。從精密加工發(fā)展到超精密加工，是世界各工業(yè)強(qiáng)國(guó)致力發(fā)展的方向。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)超精密加工技術(shù)不斷提出了新的要求，發(fā)展超精密加工機(jī)床，是現(xiàn)代科技發(fā)展的要求。因此，研究數(shù)控車床主軸的動(dòng)靜態(tài)特性對(duì)實(shí)現(xiàn)高速、高精度車削具有積極的意義。然而，圖紙的繪制是一個(gè)極其繁瑣的工作，不但要求正確，準(zhǔn)確，而且隨著環(huán)境，需求等外部條件的變化，設(shè)計(jì)方案也會(huì)隨之變化。 在早期，工程師采用手工繪圖。后來(lái)逐漸形成了一套規(guī)范，工程制圖標(biāo)準(zhǔn)也隨之誕生。工程師們 夢(mèng)想著何時(shí)能甩開(kāi)圖板，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)畫圖，將自己的設(shè)計(jì)思想 用一種簡(jiǎn)潔美觀的標(biāo)準(zhǔn)方式表達(dá)出來(lái)，便于修改，易于重復(fù)利用，提高勞動(dòng)效率。早期的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)是在大型機(jī)上開(kāi)發(fā)的，需要幾百萬(wàn)美元，往往只有規(guī)模很大的企業(yè)才能應(yīng)用，小企業(yè)則難以望其項(xiàng)背，更別說(shuō)個(gè)人了。 小企業(yè)乃至個(gè)人也能使用上計(jì)算機(jī)輔助繪圖。由微機(jī)和輸入輸出設(shè)備以及計(jì)算機(jī)繪圖軟件組成了一套計(jì)算機(jī)輔助繪圖系統(tǒng)。 工程師所設(shè)計(jì)的方案很多是需要進(jìn)行大量的計(jì)算，分析和比較，以決定最優(yōu)方案的。利用計(jì)算機(jī)繪圖軟件對(duì)所設(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行修改，放大，縮小，平移和旋轉(zhuǎn)等有關(guān)的圖形數(shù)據(jù)加工工作。至今， CAD 軟件已經(jīng)在各行業(yè)工程師中普及。 CAD 的不斷發(fā)展，使工程師的繪圖工作逐漸簡(jiǎn)化，把更大的精力投入產(chǎn)品的設(shè)計(jì)本身，這是設(shè)計(jì)行業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要前提。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)。 近 20 年來(lái)計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，主軸的動(dòng)態(tài)特性研究進(jìn)入了新的階段，各種計(jì)算方法相繼問(wèn)世，如古典結(jié)構(gòu)分析法、傳遞矩陣法、有限差分法、有限元法和結(jié)構(gòu)修正法等。 伊朗 工程師們 用有限元方法分析了在車削過(guò)程中車床和工件的穩(wěn)定性，用ANSYS 軟件分析了車床整體的動(dòng)態(tài)特性，并對(duì) TN40A 車床進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。建立了主軸系統(tǒng)基于 Riccati 傳遞矩陣法的質(zhì)量分布梁動(dòng)力學(xué)模型，獲得了機(jī)床主軸系統(tǒng)橫向振動(dòng)時(shí)其固有頻率的有關(guān)信息，以及主軸系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響有關(guān)信息。 廣東工業(yè)大學(xué)胡愛(ài)玲對(duì)高速主軸動(dòng)靜態(tài)特性的有限元分析進(jìn)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(biāo)，以實(shí)現(xiàn)電主軸的高速、高加工精度入手，對(duì)電主軸的動(dòng)靜態(tài)特性進(jìn)行了研究 [3]。 綜合以上文獻(xiàn)資料可以發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)國(guó)外對(duì)機(jī)床動(dòng)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(dòng)靜態(tài)分析提供了參考。 課題的研究方法 1． 結(jié)合數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)對(duì)數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)； （ 1）數(shù)控車床的主軸設(shè)計(jì) ； 數(shù)控車床主軸關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)與應(yīng)力分析 5 （ 2）軸承 設(shè)計(jì) ； （ 3）密封設(shè)計(jì) ； （ 4）各零件的定位設(shè)計(jì) ； （ 5）箱體的設(shè)計(jì) ； （ 6）傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ； 2． 用 SOLIDWORKS 對(duì)所涉及的數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵零部件進(jìn)行三維建模； 在本論文第七章有詳細(xì)敘述，在此不作深入探討。 在本論文第八章有詳細(xì)敘述，在此不作深入探討。要綜合考慮設(shè)計(jì)零件的應(yīng)力，應(yīng)變，彎曲變形等問(wèn)題。 2． 車床主軸常用滾動(dòng)軸承 。在本論文第三章有詳細(xì)敘述。 包括前軸頸直徑 D1，主軸內(nèi)徑 d，主軸懸伸量 a，主軸支承跨距等。 車床主軸 組件的三維建模 1． 零件圖的繪制 ； 2． 標(biāo) 準(zhǔn) 件的選用 ； 3． 裝配圖繪制 ； 主軸的 ANSYS 分析 1． 三維建模 ； 2． 網(wǎng)格劃分 ； 3． 加載約束和載荷 ； 4． 應(yīng)力分析結(jié)果 ； 數(shù)控車床主軸關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)與應(yīng)力分析 6 設(shè)計(jì)前提 設(shè)計(jì)要求 本設(shè)計(jì)為 數(shù)控 車床主軸 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) 等組成。主軸前后的受力不同，故要選用不同的軸承 。 設(shè)計(jì) 參數(shù) 參數(shù)： P=， n=1450r/min， 切削力 為 850N 數(shù)控車床主軸關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)與應(yīng)力分析 7 第二章 對(duì)主軸組件的要求 基本要求 主軸組件是機(jī)床的重要組成部分之一。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(dòng)。 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。因此，對(duì)于主軸組件，有許多特殊要求。 主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度主要取決于各主要件，如主軸，軸承箱體孔的的制造，裝配和調(diào)整精度。 通用（包括數(shù)控）機(jī)床的旋轉(zhuǎn)精度已有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定可循。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(dòng)軸承的型號(hào)，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(dòng)件的布置方式，主軸組件的制造和裝配質(zhì)量等。 數(shù)控車床主軸關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)與應(yīng)力分析 8 抗振性 主軸組件工作時(shí)產(chǎn)生震動(dòng)會(huì)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(huì)產(chǎn)生噪聲影響環(huán)境。 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(yuǎn)大于激動(dòng)力的頻率 ，以使它不易發(fā)生共振。 升溫和熱變形 主軸組件工作時(shí)因各相對(duì)運(yùn)動(dòng)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）。溫度是使?jié)櫥驼扯冉档?，降低了軸承的承載能力。前后軸承的溫度不同，還會(huì)導(dǎo)致主軸軸線傾斜。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(jī)床主軸組件的研究的主要課題之一。對(duì)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。 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(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼的強(qiáng)度極限。 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。 數(shù)控車床主軸關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)與應(yīng)力分析 9 主軸材料的選擇主要根據(jù)耐磨性和熱處理變形來(lái)考慮。 主軸的結(jié)構(gòu) 為了提高剛度，主軸的直徑應(yīng)該大些。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(dòng)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。為了能夠通過(guò)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(guò)外徑的 70%[6]。在數(shù)控機(jī)床主軸上常用的軸承有滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承。滾動(dòng)軸承有專業(yè)化工廠生產(chǎn)，選購(gòu)維修方便，在數(shù)控機(jī)床上被廣泛采用。這時(shí)用滾動(dòng)軸承可以用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑，以避免漏油。 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。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。 主軸軸承，主要應(yīng)根據(jù)精度、剛度和轉(zhuǎn)速來(lái)選擇。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。 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。這類軸承多用于載荷較數(shù)控車床主軸關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)與應(yīng)力分析 11 大、剛度要求高、中等轉(zhuǎn)速的地方。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。常用的接觸角主要有兩種：ａ =25176。其中ａ =25176。ａ 1=15176。如圖 所示 。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。這種軸承為點(diǎn)接觸，剛度較低。 圖 雙列圓柱滾子軸承 數(shù)控車床主軸關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)與應(yīng)力分析 12 3． 2 軸承精度 軸承的精度，分為 0 五級(jí) ， 其中 2 級(jí)最高， 0 級(jí)為普通精度級(jí)。高精度主軸可用 P2 級(jí)。 P6 級(jí)和 P0 級(jí)一般不用。 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(guò)盈要求配作的。 不同精度等級(jí)的機(jī)床，主軸軸承的精度可參照表 選用。 表 主軸軸承精度 機(jī)床精度等級(jí) 前軸承 后軸承 普通精度等級(jí) P5 或 P4（ SP） P5 或 P4（ SP） 精密級(jí) P4（ SP）或 P2（ UP） P4（ SP） 高精度級(jí) 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。 軸承欲緊后，內(nèi)部無(wú)間隙，滾動(dòng)體從各個(gè)方向支承主軸，有利于 提高運(yùn)動(dòng)精度。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。如主軸產(chǎn)生振動(dòng)，則由于各個(gè)方向都有滾動(dòng)體支承，可以提高抗振性。本設(shè)計(jì)為小型加工中心主軸組件設(shè)計(jì)，功率相對(duì)較小，所以取中欲緊 。 圖 本設(shè)計(jì)軸承 結(jié)構(gòu) 選用 數(shù)控車床主軸關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)與應(yīng)力分析 14 第四章 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 電動(dòng)機(jī)的選擇 按照設(shè)計(jì)要求以及工作條件，選用 Y 系列三相異步電動(dòng)機(jī)，臥式封閉結(jié)構(gòu)，電壓 380V。 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) [8]取，所以 （ 42） 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。 表 41 電動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)表 電動(dòng)機(jī)型號(hào) 額定功率（ Kw） 同步轉(zhuǎn)速（ r/min） 滿載轉(zhuǎn)速（ r/min） 總傳動(dòng)比 數(shù)控車床主軸關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)與應(yīng)力分析 15 Y132S12 3000 2900 2 綜上，選取的 Y132S12 型三相異步電動(dòng)機(jī)額定功率為 ，滿載轉(zhuǎn)速為2900r/min，電動(dòng)機(jī)中心高 H=132mm。 選定齒輪類型，精度等級(jí)、材料及齒數(shù) 1． 根據(jù)傳動(dòng)方案，選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。 3． 材料選擇。 4． 選小齒輪齒數(shù) z1=24,大齒輪齒數(shù) z2=u z1=2 24=4