【正文】 產(chǎn)品的一個(gè)必經(jīng)環(huán)節(jié)。一項(xiàng)工程圖的繪制往往是需要數(shù)次的修改后才能完成的。他們用草圖表達(dá)設(shè)計(jì)思想，手法不一。但是由于項(xiàng)目的多樣性，多變性，使手工繪圖周期長(zhǎng)，效率低，從而阻礙了建設(shè)的發(fā)展。隨著計(jì)算機(jī)的迅猛發(fā)展，工程界的迫切需要，計(jì)算機(jī)輔助繪圖（Computer Aided Drafting）應(yīng)運(yùn)而生。進(jìn)入80年代，微型計(jì)算機(jī)的迅猛發(fā)展，使計(jì)算機(jī)輔助工程設(shè)計(jì)逐漸成為現(xiàn)實(shí)。計(jì)算機(jī)繪圖是通過(guò)編制計(jì)算機(jī)輔助繪圖軟件，將圖形顯示在屏幕上，用戶(hù)可用光標(biāo)對(duì)圖形進(jìn)行編輯及修改。由于微機(jī)和各種外部設(shè)備的進(jìn)一步發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助繪圖軟件的開(kāi)發(fā)也得到長(zhǎng)足的發(fā)展。這時(shí)，各種設(shè)計(jì)數(shù)字，文字，圖形等都能存放在計(jì)算機(jī)的內(nèi)存或外存里，并能快速地檢索及調(diào)用。CAD能夠減輕設(shè)計(jì)人員的計(jì)算畫(huà)圖等重復(fù)性勞動(dòng)，使其專(zhuān)著于設(shè)計(jì)本身，縮短設(shè)計(jì)周期和提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。AUTOCAD，PRO/E，SOLIDWORKS，UG等軟件已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)了幾代產(chǎn)品。 國(guó)內(nèi)外機(jī)床動(dòng)靜態(tài)特性研究現(xiàn)狀主軸單元的動(dòng)靜態(tài)特性包括主軸的變形、共振頻率、臨界轉(zhuǎn)速和動(dòng)態(tài)響應(yīng)等，其對(duì)主軸速度和精度性能有極大的影響，早在上世紀(jì)20年代就開(kāi)始了有關(guān)研究。六十年代初，開(kāi)始出現(xiàn)最佳跨距計(jì)算，使主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有了很大的改進(jìn)，由于計(jì)算方法和手段的限制，對(duì)動(dòng)力學(xué)模型通過(guò)簡(jiǎn)化后，只能圖解法或解析法分析，方法繁瑣，計(jì)算精度低。美國(guó)工程師們進(jìn)行了機(jī)床動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)與控制相結(jié)合的研究，Michigan大學(xué)T．jiang應(yīng)用有限元法和動(dòng)態(tài)分析的基礎(chǔ)上，用數(shù)學(xué)模型來(lái)模擬機(jī)床的連接形式，建立了機(jī)床整機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)機(jī)床結(jié)合面連接件的位置和數(shù)量進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化。 蘭州理工大學(xué)吳暉對(duì)Q3808A無(wú)心車(chē)床的主軸系統(tǒng)及傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了研究[2]。建立了機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)基于Riccati傳遞矩陣法的動(dòng)力學(xué)模型以及與之相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，獲得了傳動(dòng)系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)時(shí)有關(guān)其固有頻率方面的信息。東南大學(xué)倪曉宇，基于A(yíng)NSYS軟件針對(duì)機(jī)床組件進(jìn)行有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)的專(zhuān)用軟件系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)[4]。機(jī)床動(dòng)靜態(tài)分析的原理方法是具有共性的，用動(dòng)靜態(tài)分析的原理方法來(lái)分析具體的機(jī)床是有其特殊性的，所以，在有限元方法在數(shù)控車(chē)床設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方面做一些探討是有意義的。3．ANSYS對(duì)主軸進(jìn)行應(yīng)力分析，得到主軸的應(yīng)力狀態(tài)，用于指導(dǎo)實(shí)踐。 研究?jī)?nèi)容 數(shù)控車(chē)床主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1．主軸組件的基本要求。在本論文第二章有詳細(xì)敘述。要綜合考慮軸承的搭配，如何選用合適的軸承，軸承的使用壽命等問(wèn)題。3．主軸的主要參數(shù)設(shè)計(jì)。在本論文第五章有詳細(xì)敘述。主軸是數(shù)控車(chē)床的關(guān)鍵部位，其結(jié)構(gòu)優(yōu)劣對(duì)數(shù)控車(chē)床的性能有很大的影響，因此，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中要多加注意。零件的定位，材料的熱處理等也會(huì)影響到數(shù)控車(chē)床的整體性能，故在設(shè)計(jì)時(shí)也需要多加注意。主軸組件通常由主軸、軸承和安裝在主軸上的傳動(dòng)件等組成。所以主軸組件的工作性能，對(duì)加工質(zhì)量和機(jī)床生產(chǎn)率有重要影響。 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。 旋轉(zhuǎn)精度主軸的旋轉(zhuǎn)精度上是指裝配后，在無(wú)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(dòng)和軸向跳動(dòng)。還決定于主軸轉(zhuǎn)速，支撐的設(shè)計(jì)和性能，潤(rùn)滑劑及主軸組件的平衡。 靜剛度 主軸組件的靜剛度（簡(jiǎn)稱(chēng)剛度）反映組件抵抗靜態(tài)外載荷變形的能力。各類(lèi)機(jī)床主軸組件的剛度目前尚無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。振動(dòng)表現(xiàn)為強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)兩種形式。目前，尚未制定出抗振性的指標(biāo)，只有一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可供設(shè)計(jì)時(shí)參考。主軸組件受熱伸長(zhǎng)，使軸承間隙發(fā)生變化。主軸箱因溫升而變形，使主軸偏離正確位置。由于受熱膨脹是材料固有的性質(zhì)，因此高精度機(jī)床要進(jìn)一步提高加工精度，往往受熱變形的限制。 耐磨性主軸組見(jiàn)的耐磨性是指長(zhǎng)期保持原始精度的能力，即精度保持性。為了提高耐磨性，一般機(jī)床主軸上的上述部分應(yīng)淬火至硬度HRC60左右，深約1mm[5]。因此，選材的依據(jù)一般不用強(qiáng)度。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)。普通機(jī)床的材料通常是45號(hào)或60號(hào)優(yōu)質(zhì)中碳鋼，數(shù)控機(jī)床需調(diào)質(zhì)處理[6]。前軸承到主軸前端的距離（稱(chēng)懸伸量）應(yīng)盡可能小一些。主軸中孔用與通過(guò)棒料，拉桿或其它工具。數(shù)控車(chē)床主軸關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)與應(yīng)力分析第三章 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(lèi)型、結(jié)構(gòu)、配置、精度、安裝、調(diào)整、潤(rùn)滑和冷卻都直接影響了主軸組件的工作性能。滾動(dòng)軸承摩擦阻力小，可以欲緊，潤(rùn)滑維護(hù)簡(jiǎn)單，能在一定的轉(zhuǎn)速范圍和載荷變動(dòng)范圍下穩(wěn)定地工作。雖然與滑動(dòng)軸承相比，滾動(dòng)軸承的噪聲大，滾動(dòng)體的數(shù)目有限，剛度是變化的，抗震性略差，但總體來(lái)說(shuō)，數(shù)控機(jī)床主軸組件在可能的條件下，應(yīng)盡量使用滾動(dòng)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(dòng)的主軸。由于滾動(dòng)軸承有許多優(yōu)點(diǎn)，加之加工精度的提高，所以，一般情況下數(shù)控機(jī)床應(yīng)盡量采用滾動(dòng)軸承，只有要求加工表面粗糙度數(shù)值和小時(shí)，且主軸又是水平的機(jī)床時(shí)才用滑動(dòng)軸承，而本設(shè)計(jì)內(nèi)容為小型加工中心主軸組件設(shè)計(jì)，所以要選用滾動(dòng)軸承了。主軸支承分徑向和推力支承。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。為了提高精度和剛度，主軸軸承的間隙應(yīng)該是可調(diào)的。下面簡(jiǎn)述幾種常用的數(shù)控機(jī)床主軸軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和適用范圍。NNU4900K系列雙列圓柱滾子軸承內(nèi)圈可分離，NN3000K雙列圓柱滾子軸承外圈可分離。 雙列圓柱滾子軸承雙向推力角接觸球軸承BTAA／BTAB。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向載荷。ａ1=15176。的編號(hào)為7000AC型（舊代號(hào)為46100型），屬于特輕型；或編號(hào)為7190AC型（舊代號(hào)為46900型），屬于超輕型。的編號(hào)為7000C型（舊代號(hào)為36100型），屬于特輕型；或編號(hào)為7190C型；或編號(hào)為7190C型（舊代號(hào)為1036900型），屬于超輕型。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(chē)、鏜、銑加工中心等主軸；α=15176。這種軸承為點(diǎn)接觸，剛度較低。 雙列圓柱滾子軸承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。 本設(shè)計(jì)軸承結(jié)構(gòu)選用第四章 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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η=，所以 Pr=Pwη== （42）為滿(mǎn)足Pm≥Pr的條件，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)，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(mǎn)載轉(zhuǎn)速（r/min）總傳動(dòng)比Y132S12300029002 綜上，滿(mǎn)載轉(zhuǎn)速為2900r/min，電動(dòng)機(jī)中心高H=132mm。，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=uz1=224=48。6．設(shè)計(jì)計(jì)算 m≥321041242= （423） 對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，=1. 5，按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑 d1=，算出小齒輪的齒數(shù) z1=d1m==27 （424） z2=uz1=227=54 （425）1．計(jì)算分度圓直徑 d1=mz1=27= （426） d2=mz2=54=81mm （427）2．計(jì)算中心距 a=d1+d22= （428）3．計(jì)算齒輪寬度 b=?dd1= （429）取B2=41mm,B1=46mm Ft=2T1d1=2= （430） KAFtb=1=100Nmm （431）T1為以計(jì)算得出的小齒輪傳動(dòng)轉(zhuǎn)矩。數(shù)控車(chē)床主軸關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)與應(yīng)力分析第五章 主軸主要參數(shù)的計(jì)算及校核主軸的構(gòu)造和形狀主要決定于軸上所安裝的傳動(dòng)件、軸承等零件的類(lèi)型、數(shù)量、位置和安裝方法等。為了便于裝配，常把主軸做成階梯形。主軸頭部已標(biāo)準(zhǔn)化。 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。 前軸頸直徑D1主軸前軸頸直徑D1的增大能大大提高主軸的剛度，但也會(huì)使主軸上的傳動(dòng)件和軸承的徑向尺寸加大。D1可根據(jù)機(jī)床主電動(dòng)機(jī)功率來(lái)確定。 主軸前軸頸直徑D1的大小（單位：mm）功率(Kw)D1機(jī)床~2~3~5~~11車(chē)床60~8070~9070~10595~130110~145銑床及加工中心50~9060~9060~9575~10090~105外圓磨床——50~6055~7070~8075~90已知功率P=，且為數(shù)控車(chē)床，查上表可取D1=100mm主軸后軸頸直徑D2小于前軸頸直徑D1，一般D2= (~)