【正文】 3)單位的選擇 對于 ANSYS中的單位問題，除了磁場分析外，可使用任意一種單位制，只要保證輸入的所有數(shù)據(jù)都是使用同一單位制里的單位就行。 具體步驟是： (1)定義單元類型， GUI Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/DeleteAddSolid20node 186； (2)定義材料屬性， GUI Main Menu PreprocessorMaterial PropsMaterial ModelsStructuralLinearElasticIsotropic,在 EX里輸入 ，在 PRXY里輸入 ，再選擇 StructuralDensity,在 DENS里輸入 ， 點(diǎn)擊 OK。主軸箱結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，可采用智能網(wǎng)格劃分， 6級(jí)精度SOLIDl86單元。劃分后的結(jié)果如下圖 13 圖 6 主軸箱網(wǎng)格劃分圖 至此 ， 主軸箱結(jié)構(gòu)的有限元模型已經(jīng)建立起來，接下來就可以利用此有限元模型進(jìn)行主軸箱結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化 。 (2)Mode Extraction Method：選擇模態(tài)提取方法為 Block Lanczosmethod(默認(rèn) )蘭索斯法。但是該機(jī)床的設(shè)計(jì)最高 工作轉(zhuǎn)速為 1400 r／ min， 根據(jù) 主軸轉(zhuǎn)速 fn 60? ，可得主軸最高頻率約為 ,又由于主軸上齒輪齒數(shù)為 28，所以主軸的最高激勵(lì)頻率為 ,因此 當(dāng)箱體的固有頻率大于 ，一般不可能發(fā)生共振，對于加工質(zhì)量的影響不大，所以只需研究 固有頻率較小的模態(tài)，即 機(jī)床的低階模態(tài)。 施加邊界條件并求解 14 圖 7 復(fù)合面導(dǎo)軌 首先， C6150主軸箱體與底座的固定采用的是復(fù)合面導(dǎo)軌，如上圖所示，左側(cè) V形面和底面 V形導(dǎo)軌嚙合，限 制了 V形面即箱體的移動(dòng)，底面 V形導(dǎo)軌下側(cè)裝有螺栓，使主軸箱體與底座固定。可以施加除位移約束之外的其他載荷，但它們將被忽略。具體步驟是： GUI MainMenuSolutionDefineLoadsApplystructuraldisplacementOn Areas,選擇箱體底面兩個(gè)螺栓的內(nèi)表面，選擇 DOF全約束，點(diǎn)擊 OK。 查看結(jié)果 模態(tài)分析結(jié)果一般在通用后處理器 (POSTl)中查看： (1)列出各階固有頻率 GUI． Main MenuGeneral PostprocResults Summary。 (3)顯示節(jié)點(diǎn)位移或單元應(yīng)力分布 GUI： Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour Plot——NodalSolu／ Element Solu。 對于頻率較低的模態(tài)振型，它主要影響零件的粗加工，這是因?yàn)榇旨庸r(shí)主軸轉(zhuǎn)速低，頻率低，刀具進(jìn)給量大，當(dāng)?shù)碗A振型的固有頻率和粗加工的頻率相等時(shí)，容易發(fā)生共振，引起箱體振動(dòng)和變形，所以我們應(yīng)該通過分析低 20 頻率的振型來研究箱體振動(dòng)對粗加工的影響，盡量避免發(fā)生共振。 (2) 通過各階振型圖可以發(fā)現(xiàn)，箱體的振型主要表現(xiàn)為 擺 動(dòng)和扭轉(zhuǎn)， 擺 動(dòng)大都發(fā)生在低階低頻振型下，而扭轉(zhuǎn)大都發(fā)生在高階高頻振型下，而箱體的扭轉(zhuǎn)則會(huì)引起箱體的變形，進(jìn)而引起主軸等箱體內(nèi)其它軸的變形，同時(shí)由箱體引起的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致加工表面的振動(dòng)，使表面粗糙度增大；而且箱體的變形還會(huì)使工件和刀具之間產(chǎn)生相對位移，影響正常的運(yùn)動(dòng)軌跡，這樣就影響了零件的加工表面質(zhì)量和加工精度，另外箱體扭轉(zhuǎn)引起的變形還會(huì)降低刀具的使用壽命。最大振幅出現(xiàn)在第 4階 和 第 6階 模態(tài)里 ，同樣是出現(xiàn)在兩個(gè)中間支撐板處，優(yōu)化時(shí)考慮增加支撐板厚度，以降低振幅。 綜上，通過對 15階固有頻率、固有振型以及各階總變形我們得到：箱體的內(nèi)支撐板的變形量最大，需要引起重視；其次是箱體的側(cè)壁在 5階以后發(fā)生扭轉(zhuǎn)，在后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中需要考慮。通過對振型的分析，找到了箱體的薄弱環(huán)節(jié)和應(yīng)該改進(jìn)的地方，以此來改進(jìn)箱體結(jié)構(gòu)減小加工過程中箱體的振動(dòng)，提高機(jī)床的加工精度和零件的加工質(zhì)量。 8到 15階表現(xiàn)出箱體底面、側(cè)面和側(cè)面都有劇烈 的振動(dòng)，可以通過 增加箱體側(cè)面等的厚度 來提高，或者 在箱體內(nèi)加內(nèi)筋， 以提高箱體的剛度。對于第 6階出現(xiàn)的 箱體內(nèi)支撐板的擺動(dòng) 在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮增加支撐板的厚度。 改進(jìn)后結(jié)果 圖 10 優(yōu)化后的箱體圖形 優(yōu)化后的各階 總變形 如下圖： 1階 總變形 2階 總變形 22 3階 總變形 4階 總變形 5階 總變形 6階 總變形 7階 總變形 8階 總變形 9階 總變形 10階 總變形 11階 總變形 12階 總變 形 23 13階 總變形 14階 總變形 15階 總變形 圖 11 優(yōu)化后的各階總變形 通過分析優(yōu)化后箱體的振型及各階總變形可得： 優(yōu)化前箱體各階總變形中最大變形為 ，優(yōu)化后箱體各階總變形中最大變形為 ，所以箱體的整體變形量有所改善且 各階振型中的最大變形量均有所減小 。對于 優(yōu)化后的箱體更有利于減小箱體振動(dòng)，提高加工精度和零件質(zhì)量。主軸箱體上有與床身導(dǎo)軌面結(jié)合的平面、裝手柄的平面及其他平面，以及一些孔系和端面。 24 下圖為 C6150箱體的簡圖，主要技術(shù)條件有： （ 1）軸孔精度 軸孔的尺寸精度和形狀精度對軸承的配合質(zhì)量有很大的關(guān)系，因而也對軸的回轉(zhuǎn)精度、傳動(dòng)平穩(wěn)性、噪聲、軸承壽命有重大影響。其尺寸精度公差為 6級(jí)，其余軸孔為標(biāo)準(zhǔn)公差 67級(jí)。如：軸線 IVIV上的主軸孔 Φ140J Φ160JΦ180J6的圓度和素線平行度誤差均在 。軸心線間的平行度誤差會(huì)影響軸上的齒輪的嚙合質(zhì)量。此車床主軸箱箱體通過地面 D和導(dǎo)軌面 F和床身連接，是主軸箱體零件的裝配基準(zhǔn)，它們決定了主軸軸心線對床身導(dǎo)軌的位置關(guān)系。 2） D 軸軸孔的軸線對基準(zhǔn) C 的平行度公差為 ；對基準(zhǔn) H 的平行度公 差為 。 4）Ⅳ軸軸孔內(nèi)表面對基準(zhǔn) H 的平行度公差為 ；Ⅳ軸各軸孔表面對基準(zhǔn) C 的同軸度公差為φ 。每孔內(nèi)表面相對側(cè)母線的平行度公差為 。 7）Ⅳ軸軸孔的軸線對基準(zhǔn) W 的平行度公差為 。 9）Ⅵ軸軸孔的軸線對基準(zhǔn) N 的平行度公差為 。因此規(guī)定底面 D和導(dǎo)向面 E必須平直， 25 并采用涂色法檢驗(yàn)它們和標(biāo)準(zhǔn)平面的接觸面積，另外還規(guī)定了 D 面和 F面的垂直度公差。這里有兩種情況：一種情況是頂面的平行度只是為了保證頂面和主軸箱蓋的密封性，以防止在工作時(shí)潤滑油漏出；另一種情況是在加工過程中以頂面作為統(tǒng)一基準(zhǔn)，這時(shí)對頂面的平行度的要求就更高一些。 可見，主軸箱箱體的主要加工表面是平面和孔。只是由于要求盡可能減少裝配時(shí)的刮研勞動(dòng)量，因此對平面加工的精度和粗糙度要求較高。而且箱體內(nèi)的隔板上也有精度要求高的孔。此外，任何軸孔的加工不但要保證軸孔本身的精度和同軸度，而且還要照顧它和其他軸孔或平面的位置精度。 C6150 主軸箱體零件圖如下圖所示： 圖 12 C6150主軸箱體零件圖 26 圖 13 C6150車床主軸箱箱體展開圖 毛坯分析 零件材料為 HT200鑄件。這種方法獲得的毛坯精度較低，尤其是孔的形狀精度和位置精度。并且，還必須注意合理安排消除毛坯內(nèi)應(yīng)力的熱處理工序。 定位基面的選擇和加工順序的安排 主軸箱箱體孔系加工的要 求高，需要經(jīng)過多次安裝，所以有可能也有必要采用面積分布較大的平面作為統(tǒng)一基準(zhǔn)，通常有兩種不同的考慮： （ 1）用底面 D及導(dǎo)向面 E作為統(tǒng)一基準(zhǔn)。一般情況下都采用這種方法。每加工一 個(gè)工件，吊模就要裝拆一次。 （ 2）在大批量生產(chǎn)時(shí)，可采用頂面和兩銷孔作為統(tǒng)一基準(zhǔn)，鏜孔用的中間支撐固定在夾具底板上。但這種定位方法在加工過程中無法觀察加工情況、測量孔徑和調(diào)整刀具，因而要求采用定尺寸刀具直接保證孔的尺寸精度；因切屑全部落在鏜模底板上，在裝卸工件時(shí)必須注意清除切屑，以避免影響定位精度；還必須提高作為定位面的頂面的加工精度，其中兩個(gè)定位銷孔或是額外加工或是把 原有的孔的加工精度提高。 選擇主軸箱箱體加工的粗基準(zhǔn)時(shí)應(yīng)考慮的問題主要是： 1）主軸孔是該箱體中要求最高的孔，粗基準(zhǔn)的選擇應(yīng)保證主軸孔的加工余量均勻，孔壁厚薄均勻。 3）保證箱體內(nèi)壁與裝配時(shí)的裝入零件（主要是齒輪）有足夠的間隙。結(jié)合粗、精基準(zhǔn)面的選擇，箱體類零件的加工順序總是先加工平面后加工孔系，先加工主要表面后加工次要表面，并提高作為精基準(zhǔn)的 D面和 E面的加工精度。根據(jù)工廠生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和車間加工設(shè)備情況，決定加工一般平面用粗銑 精銑，定位用 的統(tǒng)一基準(zhǔn)（ D面和 E面）用粗銑 半精銑 粗磨 精磨方案，以達(dá)到高的生產(chǎn)效率和高的定位精度。如果主軸孔也用鉸刀鉸削，則鉸刀尺寸過大，制造費(fèi)用和刃磨費(fèi)用昂貴，勞動(dòng)強(qiáng)度大，所以目前用的很少。浮動(dòng)鏜刀鏜高精度孔比用鉸刀鉸孔和單刃鏜刀鏜孔都有利于保證高尺寸精度和低表面粗糙度，所以浮動(dòng)鏜是機(jī)床 制造廠用的較多的一種方法，即把浮動(dòng)鏜刀塊安裝在鏜桿 的長方形孔中，不作緊固，使它能在長方形孔中浮動(dòng) ，鏜刀塊就在鏜桿的方孔中按孔的加工余量自動(dòng)定心，并進(jìn)行切削和生產(chǎn)擠壓作用。 為了達(dá)到零件圖對孔系精度的要求，除了選擇底面 D和導(dǎo)向面 E作為統(tǒng)一基面外；精鏜是保障這種位置精度的關(guān)鍵工序，所以采用專用鏜模，使孔系的位置精度只取決于這種鏜模和鏜桿的制造精度，這樣，就可以利用制造精度一般而生產(chǎn)效率高 的組合機(jī)床來完成精鏜孔系的工序。為了進(jìn)一步消除粗加工后的內(nèi)應(yīng)力，故將粗、精加工分開，并在粗加工以后和精加工以前，把工件存放一段時(shí)間，使之產(chǎn)生自然失效的作用，以利于保證精加工的質(zhì)量。 VII 孔鉆至Φ30mm,擴(kuò)至Φ ，鉸至Φ 32mm。 VIII 孔鉆至Φ 23mm，擴(kuò)至Φ，鉸至Φ 25mm） D面、 E面、 C面 立式鉆床 17 鉆擴(kuò)鉸 F面 鉆擴(kuò)鉸 F面 IX、 X、 XI、 XII各孔（ IX D面、 E面、 C面 立式鉆床 31 孔 孔鉆至Φ 36mm，擴(kuò)至Φ ，鉸至Φ 38mm； X 孔鉆至Φ 23mm，擴(kuò)至Φ，鉸至Φ 25mm； XI 孔鉆至Φ23mm，擴(kuò)至Φ ，鉸至Φ 25mm；XII孔鉆至Φ 38mm，擴(kuò)至Φ ，鉸至Φ 40mm） 18 浮動(dòng)鏜 用浮動(dòng)鏜刀塊精鏜主軸孔 IV（ 鏜至Φ140mm，每次進(jìn)給 ，共 5） D面、 E面、 C面 臥式鏜床 19 鉆 螺紋 孔 鉆底面凸臺(tái)處兩螺紋孔（選用Φ 的麻花鉆鉆孔，再用絲錐攻絲） 立式鉆床 20 去毛刺 倒棱、去毛刺 鉗工臺(tái) 21 檢驗(yàn) 按零件圖要求進(jìn)行最終檢查 檢驗(yàn)平板 22 涂油 除銹斑、清洗上油 23 入庫 加工余量的確定 平面采用單邊余量，孔采用雙邊余量。粗加工時(shí)銑削速度v=，精加工時(shí)切削速度 v=，所以根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速公式 dvn ?1000? ，可得粗加工時(shí)主軸轉(zhuǎn)速 n=214m/s，精加工時(shí)主軸轉(zhuǎn)速 n=225m/s。 1） 粗銑時(shí)：被切削層長度 l =650mm， 刀具切入長度 ? ? mmaDDle 22221 ???????????? ???，刀具切出長度 2l 取 2mm，進(jìn)給量 znav ff ?? = ? 1 ? 214=，取mf = fv = 走刀次數(shù)為 1，所以機(jī)動(dòng)時(shí)間 mj flllt 211 ??? m 7 8 2276 5 0 ???? ，查表得銑削的輔助時(shí)間 1ft =。所以總工時(shí) m i ????????? ffjj ttttt 。 2） 精加工時(shí)，切削速度 v= m/s，主軸轉(zhuǎn)速 n=235m/s，進(jìn)給量 f=，pa =3mm，機(jī)動(dòng)時(shí)間 2tj =，輔助時(shí)間 2ft =。 銑定位面 用和工序 5 同樣的方法，選用 X53K 立式銑床，Φ 200mm 直齒三面刃銑刀，計(jì)算可得， 1） 粗加工時(shí)，切削速度 v= m/s，主軸轉(zhuǎn)速 n=235m/s，進(jìn)給量 f=1mm，pa =5mm，機(jī)動(dòng)時(shí)間 1tj =，輔助時(shí)間 1ft =。 所以總工時(shí) m i ????????? ffjj ttttt 磨定位面 工件材料： HT200 34 機(jī)床： M7475B 立軸圓臺(tái)平面磨床 查《機(jī)械加工工藝手冊》得 其主軸轉(zhuǎn)速為 1000r/min，磨削速度 v=。其中 l =650mm， MD =450mm，粗加工時(shí) bZ =，精加工時(shí) bZ =， K=， V=，粗加工時(shí) rsf =，精加工時(shí) rsf =， Z=1。 所以總工時(shí) m i ????????? ffjj ttttt 銑端面 用和工序 5 同樣的方法，選用 X53K 立式銑床，Φ 200mm 直齒三面刃銑刀，計(jì)算可得， 1）粗加工時(shí)，切削速度 v= m/s，主軸轉(zhuǎn)速 n=190m/s，進(jìn)給量 f=1mm，