【正文】 學(xué)依據(jù)和可靠性。 目前，國內(nèi)的機床設(shè)計多半屬于經(jīng)驗設(shè)計。 第頁共 34 頁 第一章引言 研究的目的和意義 主軸部件是數(shù)控機床的重要部件之一，直接參與切削加工，對機床的加工精度，表面質(zhì)量和生產(chǎn)率影響很大。對于數(shù)控機床產(chǎn)品而言，其主軸部件要有較寬的轉(zhuǎn)速范圍、高精度、高剛度、振動小、變形小、噪聲低，而且要具有良好的抵抗受迫振動和自激振動能力的動態(tài)性能。機床結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算一直沿用一般的結(jié)構(gòu)計算方法。由于機床結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，僅憑簡單的計算工具，在計算時要對計算模型進行很多簡化，致使計算精度較差。因而長期以來，在許多情況下仍沿用外推或類比的方法進行機床結(jié)構(gòu)的設(shè)計。而在實際結(jié)構(gòu)設(shè)計時，仍取較大的安全系 數(shù)，結(jié)果使結(jié) 構(gòu)尺寸和重量加大，不能很好地發(fā)揮材料的潛能，機床結(jié)構(gòu)性能難以提高，特別是在加工中心主軸部件設(shè)計時，沒有有效的計算方法，就無法對結(jié)構(gòu)方案設(shè)計提供可靠的依據(jù)，只能依靠以往的經(jīng)驗進行局部修正，無法進行優(yōu)化設(shè)計 。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 有限元方法的發(fā)展概況及應(yīng)用 有限元方法的發(fā)展，其基本思想的提出可以追溯到上世 紀 40年代初。航空工業(yè)的發(fā)展大大促進了有限元的進一步發(fā)展。有限元或有限單元（ Fi Element）這一術(shù)語，是 于 1960 年在一篇論文中首次提出的。 1963年到 1964年， 等人證明了有限元法是基于變分原理的 Ritz （里茲）法的另一種形式，此后有限元法開始鞏固其地位。 目前，國 內(nèi)外機床廠家已經(jīng)在機床設(shè)計中廣泛地應(yīng)用有限元分析方法，并在機床基礎(chǔ)件（如床身、立柱、框架等）和主軸部件等的靜、動態(tài)特性分析計算中取得成就。 對實際車床的主軸進行動態(tài)分析。 數(shù)控車床的發(fā)展 數(shù)控機床（ numerical control machine tool）是采用了數(shù)字控制技術(shù)（ numerical control 簡稱 NC）的機械設(shè)備，就是通過數(shù)字化的信息對機床的運動及其加工過程進行控制，實現(xiàn)要求的機械動作，自動完成加工任務(wù)。第一臺數(shù)控機床是由美國Parsons 公司與美國麻省大理工學(xué)院（ MIT）于 1952 年合作研制成功的，當時是為了加工直升飛機螺旋槳葉片輪廓的檢查樣板。 1959 年，美國克耐杜列克公（ Keaney＆ Trecker）首次成功開發(fā)了加工中心（ machine center，簡稱 MC），這是一種有自動換刀裝置和回轉(zhuǎn)工作臺的數(shù)控機床，可以在一次裝夾中對工件的多個平面進行多工序的加工（包括鉆孔、锪孔、攻絲、鏜削、平面銑削、輪廓銑削等。１９６７年，英國出現(xiàn)了由多臺數(shù)控機床連接而成的柔性加工系統(tǒng)，這便是最初的柔性制造系 統(tǒng)（ flexible 第頁共 34 頁 manufacturing system 簡稱 FMS）。近幾年，又出現(xiàn)了以數(shù)控機床為基本加工單元的計算機集成制造系統(tǒng)（ puter integrated manufacturing systems,簡稱CIMS），實現(xiàn)了生產(chǎn)決策、產(chǎn)品設(shè)計及制造、經(jīng)營等過程的計算機集成管理和控制。 20 世紀 90 年代以來，歐、美、日各國爭相開發(fā)應(yīng)用高速數(shù)控機床，．加快機床高速化的步伐。隨著超高速切削機理、超硬耐磨長壽命刀具材料和磨料磨具、大功率高速電主軸、高加／減速度的進給運動部件以及高性能控制系統(tǒng)和防護裝置等一系列技術(shù)領(lǐng)域中關(guān)鍵技術(shù)的解決，新一代高速數(shù) 控機床將應(yīng)用于機械制造業(yè)。本課題主要探討如何采用有限元方法分析數(shù)控車床的主軸，并以 CK6132 的主軸為算例對其動靜態(tài)特性進行分析，從而尋找該車床切削振動大的原因，為加工合格產(chǎn)品，科學(xué)合理有效地使用及今后改進該設(shè)備提供科學(xué)依據(jù)。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。該機床配置國產(chǎn)經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)。 CK6132 數(shù)控車床采用雙速電機變頻高速 ,并帶有分級變速箱 . CK6132 數(shù)控車床主軸 ,前支承采用雙列圓柱滾子軸承 (D3182115),后支承采用圓錐滾子軸承(20xx113E)和推力軸承 (D8113)。如需要完整說明書和 設(shè)計圖紙等 .請聯(lián)系 扣扣： 九七 一 九二 零八零零 另提供全套機械畢業(yè)設(shè)計下載！ 該論文已經(jīng)通過答辯 第頁共 34 頁 車床主軸運動參數(shù) ①極限切削速度 vmax vmin 根據(jù)典型工藝，并考慮該機床加工工序的種類、工藝要求、刀具和工件材料來選取極限切削速度，見表 。最后確定的 nmax和 nmin還應(yīng)與同類型車床進行對比（ D工件最大回轉(zhuǎn)直徑）。車床最低幾級轉(zhuǎn)速常用于光整車削、車削大直徑的螺紋等，并不需要傳遞全部功率。在這個區(qū)域內(nèi)，主軸的輸出扭矩應(yīng)隨轉(zhuǎn)速的降低而加大。主軸的輸出扭矩不再隨轉(zhuǎn)速的降低而加大，而是保持一時的扭矩不變，所能傳遞的功率，則隨轉(zhuǎn)速的降低而降低。 無級傳動時 nj= （ ） 第頁共 34 頁 CK6132 數(shù)控車床主傳動分析 主傳動分析 CK6132 數(shù)控車床主傳動采用通用變頻器和普通異步交流電動機驅(qū)動。變頻器選用的是CVFG2RT0037 通用變頻器，額定容量 額定輸出電流 ,適配電動機。 結(jié)論 ①主軸電動機功率偏小。 ②主軸恒功率調(diào)速段實際是電動機接成 YY 型（ ） ,由變頻器進行恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。 ④主傳動的計算轉(zhuǎn)速為 238r/min。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。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。但是主軸又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。 旋轉(zhuǎn)精度 主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度，是指裝配后，在無載荷、 低速轉(zhuǎn)動（用手轉(zhuǎn)動或低速機動轉(zhuǎn)動１的條件下，主軸前端安裝工件或刀具部位的徑向和軸向跳動值。這個差異，對于精密和高精度機床是不能忽略的。運動精度則還決定于主軸轉(zhuǎn)速、軸承的設(shè)計和性能以及主軸組件的平衡。主軸組件的彎曲剛度 K，定義為使主軸前端產(chǎn)生單 位位移，在位移方向所需施加的力。目前對主軸組件的彎曲剛度標準尚無統(tǒng)一規(guī)定。如果發(fā)生切削自激振動，將嚴重影響加工質(zhì)量，甚至可能使切削無法進行下去。主軸的固有頻率應(yīng)遠大于激振力的頻率，使它不易發(fā)生共振。如果主軸軸承是滑動軸承，則溫升使?jié)櫥偷恼扯认陆?，從而降低軸承的承載能力。如果前、后軸承溫升不同，還將使主軸傾斜。 耐磨性 主軸組件必須有足夠的耐磨性，以便能長期保持精度。如果主軸裝有滾動軸承，則支承處的耐磨性決定于滾動軸承，與軸頸無關(guān)。為了提高耐磨性，一般機床的上述部位應(yīng)淬硬至 HRC60 左右，深約 1mm。 車床主軸常用滾動軸承 軸承選型 主軸滾動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主軸組件的工作性能。但與滑動軸承相比，滾動軸承噪音大，滾動體數(shù)目有限，剛度是變化的，抗振性略差并且對轉(zhuǎn)速有很大限制。這時因滾動軸承可以用潤滑脂潤滑以 第頁共 34 頁 免漏油。 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。 NNU4900K 系列雙列圓柱滾子軸承內(nèi)圈可分 離， NN300K 雙列圓柱滾子軸承外圈可分離。 ②雙向推力角接觸球軸承 BTAA/BTAB。 ③角接觸球軸承，這種軸承既可以承受徑向載荷，又可承受軸向載荷。其中 α ＝ 250的編號為 7000AC型屬特輕型；編號為 7190AC 型，屬超輕型。角接觸球軸承多用于高速主軸，隨接觸角的不同有所區(qū)別，α ＝ 250 的軸向剛度較高，但徑向剛度和允許的轉(zhuǎn)速約低，多用于車、鏜、銑加工中心等主軸； α ＝ 150 的轉(zhuǎn)速可更高些，但軸向剛度較低，常用于軸向載荷較小，轉(zhuǎn)速較高的磨床主軸或不承受軸向載荷的車、鏜、銑主軸后軸承。主軸軸承以 4級為主（記為 4）。要求較低的主軸或三支承主軸的輔助支承可用 P5 級。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 第頁共 34 頁 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。 不同精度等級的機床，主軸軸承的精度可參照表 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） 高精度級 P2（ UP） P2(UP) 軸承的剛度 滾動軸承在 0游隙下，軸承在外載荷作用下的變形為： 點接觸的球軸承： δ r= δ r= （ ） 線接觸滾子軸承 δ r= δ a= () 式中 δ r、 δ a— 徑向和軸向變形（ μ m）； α — 接觸角（ 0） la— 滾子的有效長度，等于滾子長度扣除兩端倒角（ mm） Qr、 Qa— 作用于單個滾動體的徑向和軸向載荷（ N） Qr= Qa= () Fr、 Fa— 用于軸承上的徑向和軸向載荷（ N） i、 z— 滾動體的列數(shù)和每列的滾動體數(shù) 零游隙時軸承的剛度： K= 當為球軸承： Kr== () Ka= () 第頁共 34 頁 當為滾子軸承： K r==(iz) () Ka== () 式中 K r 、 Ka—— 軸承的徑向和軸向剛度（ N/μ m）。它隨載荷的增大而增大。 對于滾子軸承，剛度與載荷的 次冪成正比，載荷對剛度的影響不大，因此計算時可以不考慮預(yù)緊。有軸向預(yù)緊力 C。 CK6132 主軸軸承徑向剛度如下： 表 CK6132 主軸軸承徑向剛度 前軸承 后軸承 軸向剛度 1316N/μ m 729N/μ m 296N/μ m 主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 主軸的構(gòu)造和形狀主要決定于軸上所安裝的傳動件、軸承等零件的類型、數(shù)量、位置和安裝方法等。為了便于裝配，常把主軸作成階梯形。主軸頭部已標準化。 主軸直徑的選擇 在設(shè)計之初，由于確定的只是一個設(shè)計方案，尚未確定具體構(gòu)造。 車床、銑床以及其他一些機床的主軸上有多種零件。因此，后軸頸的直徑往往小于前軸頸。 主軸材料及熱處理 主軸允許受載后的彈性變形是很小的，由此引起的應(yīng)力也很小。只有重載主軸，或因構(gòu)造上的原因，主軸不得不設(shè)計得很細時，才需考慮強度問題。各種鋼材的彈性模量幾乎沒有什么差別，因此剛度不是選擇材料的依據(jù)。一般普通機床的主軸，可以采用 45 或 60優(yōu)質(zhì)碳鋼，調(diào)質(zhì)到 HB220— 250 左右。如果支承為滑動軸承，則軸頸處也需淬硬，硬度同上。 的主軸結(jié)構(gòu)（ 如圖 所示 ） CK6132 的主軸前端軸頸的直徑 75（ mm），后端軸頸的直徑 65（ mm），通孔直徑38(mm)。 第頁共 34 頁 圖 CK6132 的主軸結(jié)構(gòu) 第四章 基于 ANSYS 的 CK6132 主軸的靜力分析 主軸靜力分析概述 線性靜力分析的基本步驟 靜力分析用來計算結(jié)構(gòu)在固定不變載荷作用下的響應(yīng)，如反力、位移、應(yīng)變、應(yīng)力等，也就是探討結(jié)構(gòu)受到外力后變形、應(yīng)力、應(yīng)變的大小。 靜力分析中固定不變的載荷和響應(yīng)是一種假定，即假定載荷和結(jié)構(gòu)的響應(yīng)隨時間的變化非常緩慢。 ANSYS 線性靜力分析的基本步驟： 構(gòu)建有限元模型 —— 創(chuàng)建有限元模型、設(shè)置單元類型、設(shè)定單元選項、定義單元實常數(shù)、設(shè)置材料屬性、劃分網(wǎng)格。 后處理 —— ANSYS 提供兩種后處理方式， POST1 和 POST26。后者處理模型中特定點在所有載荷步（整個 第頁共 34 頁 瞬態(tài)過程）的結(jié)果。 機床主軸組件彎曲剛度 機床主軸組件（包括主軸、軸承和 Ф 60mmｘ 90mm 的 45 鋼工件）彎曲剛度 K，定義為使主軸前端產(chǎn)生單位位移，在位移方向所需施加的力，如圖 所示。