【正文】 例如鉆床，鉆頭有兩個(gè)刀刃，徑向力互相抵消，軸向力雖很大，但在主軸上作用距離很短，主切削力是一個(gè)力偶。 KM=MN/=MNL/θ (N m） L—— 扭矩的作用距離（ m） θ —— 扭轉(zhuǎn)角（ rad） 主軸彎曲剛度尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)，文獻(xiàn)資料，從下列幾個(gè)方面，提出了一些對(duì)主軸組件的剛度要求： ①靜態(tài)彈性變形對(duì)加工精度的影響有的資料推薦，可以根據(jù)復(fù)映誤差來(lái)規(guī)定機(jī)床 Y向綜合剛度，再根據(jù)主軸組件的變形占機(jī)床系統(tǒng)綜合變形的比例確定組件的剛度。例如有的資料推薦，在額定載荷作用下，主軸端部的變形，不得超過(guò)精度標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的主軸端部徑向跳動(dòng)的 1/3。（ l為主軸跨距， y與 l單位相同）。 有的資料推薦，車床 Dmax＝ 250mm 及 320mm 時(shí)，主軸前端靜剛度為 K＝100N/μ m ， Dmax=400mm 時(shí)， K=120N/μ m。 瑞典 SKF 公司推薦，把主軸當(dāng)作一個(gè)簡(jiǎn)支梁，支承中間承受一集中載荷，對(duì)于一般生產(chǎn)型機(jī)床如車床和銑床等， K≥ 250N/μ m。再生自激振動(dòng)穩(wěn)定性的判別 式： 第頁(yè)共 34 頁(yè) blim≤ 2Kζ (1+ζ )/Kab Kab稱為切削系數(shù) 這個(gè)公式說(shuō)明，對(duì)于一定的機(jī)床，存在著一個(gè)不產(chǎn)生自激振動(dòng)的最大（極限）切削寬度。 mm） 夾角 β（度） 77 80 77 82 以上公式，是在假設(shè)切削力方向、機(jī)床系統(tǒng)主振動(dòng)方向和測(cè)量機(jī)床靜態(tài)變形的方向都相同的前提下推導(dǎo)出來(lái)的。事實(shí)上，切削力 P并不在 Y 向，而是與 y 向成夾角 β 。但為了簡(jiǎn)化分析，仍假設(shè)主振動(dòng)方向和測(cè)量靜變形的方向相同，即都在 y向。因此， Y 向的剛度 Ky=Py/y=Pcosβ /y 即 Ky≥ Kabblimcosβ /2ζ (1+ζ ) () 車削外圓時(shí) ,Py=Pcosβ cosφ 因此 Ky=Kabblimcosβ cosφ /2ζ (1+ζ ) () 以上式中 Kab—— 車銑時(shí)的切削系數(shù)（ N/μ m 從表 中可以看出，隨著切削速度和進(jìn)給量的增加，切削系數(shù)疋。從 式和 式可知，對(duì)于一定的機(jī)床和一定的切削方式， Ky、 ζ 、 β 、φ 都是一定的。即用較高的切削速度和較大的進(jìn)給量，可以允許較大的極限切削寬度。即取切削速度為50m/min，進(jìn)給量為每轉(zhuǎn) 左右。 式 和 計(jì)算的 Ky是整個(gè)機(jī)床系統(tǒng)在 Y 方向的剛度要求。這樣的計(jì)算是近似的。當(dāng)軸承預(yù)加載較大或用三支承時(shí)取大值，當(dāng)主軸前軸承存在間隙時(shí)取 ζ ＝ ~ 圓錐滾子軸承，雙列向心短圓柱滾子軸承和推力球軸承的組合 ~ 動(dòng)壓滑動(dòng)軸承 單油楔 ~ 指主軸前軸承結(jié)構(gòu)，主軸轉(zhuǎn)速高或直徑間隙小時(shí)取大值 多沒(méi)楔 ~ 液體靜壓軸承 ~ 當(dāng)用小孔節(jié)流或毛細(xì)管節(jié)流，高粘度的潤(rùn)滑油或油膜剛度較低時(shí)取大值 CK6132 主軸的典型工況 表 主軸各工況的的載荷表 齒輪上的作用力 切削力 徑向 扭矩等 第頁(yè)共 34 頁(yè) 工況 圓周力（ N） 力(N) 扭矩(N主軸的第一工況雖然對(duì)主軸的作用力最大，但力的作用點(diǎn)較靠近主軸前支承，當(dāng)在運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力由高速齒輪（ Z=45）傳入，車床進(jìn)行粗車加工時(shí)（切削用量：n=530r/min,ap=,f=，電機(jī)輸出功率 3kw），此工況稱為主軸第二工況。主軸各工況的的載荷見(jiàn)表 。主軸幾何模型的構(gòu)建，可以利用 ANSYS 提供的繪圖功能進(jìn)行繪制，也可以使用 CAD 軟件所提供的強(qiáng)大繪圖功能進(jìn)行圖形繪制。 2)定義單元類型 單元類型（ Element Type）的定義用來(lái)決定用什么形狀的微元來(lái)離散主軸。 3)定義實(shí)常數(shù) 用實(shí)常數(shù)（ real constants）來(lái)定義分析模型的截面特性。 4)定義材料特性 CK6132 主軸材料為 45 鋼，彈性模量 EX= 1011 泊松比為 ，密度為7800kg/m3。網(wǎng)格分得越細(xì)，計(jì)算結(jié)果的誤差越小，但所需要的計(jì)算時(shí)間也就越長(zhǎng)。要提高分析精度，可以有以下三種方法： a. 網(wǎng)格細(xì)分法（ hmethod）： ANSYS 自動(dòng)細(xì)分網(wǎng)格； b．高次單元法（ pmethod）：選擇高次單元進(jìn)行分析； c．混合并行法（ hpmethod）： 上述兩者并用。分析 CK6132 主軸時(shí)，分成兩個(gè)載荷步進(jìn)行求解，一個(gè)是力載荷步，另一個(gè)是轉(zhuǎn)矩載荷步， ANSYS 分析模型見(jiàn)圖 和圖 ，然后通過(guò)后處理中的載荷工況 (load case ）求和操作，得到主軸在彎曲、扭轉(zhuǎn)和壓縮狀態(tài)下的應(yīng)力和變形。在 CK6132 主軸力載荷步中，在與后軸承內(nèi)圈接觸的主軸表面上施加約束 UY=0、UZ=0，在與前軸承內(nèi)圈接觸的主軸表面上施加約束 UX=0、 UY=0、 UZ=0，它們都施加在實(shí)體模型上，在求解時(shí)再轉(zhuǎn)化到主軸的有限元模型上。 圖 主軸組件力載荷步 2）施加載荷 第頁(yè)共 34 頁(yè) 圖 主軸組件轉(zhuǎn)矩載荷步 根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際情況， ANSYS 可以在結(jié)構(gòu)上施加集中力、分 布力、重力及預(yù)應(yīng)力等。這些載荷均施加在主軸的有限元模型，為了將載荷施加于相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上，對(duì)主軸的有限元模型加載區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化。 3）求解計(jì)算 ANSYS 提供了基于直接求解法的稀疏直接求 解器（ Sparse Direct Solver）和波前求解器（ the Frontal Solver）。 JGG 求解器適合于求解良態(tài)問(wèn)題，用于實(shí)數(shù)或復(fù)數(shù)的對(duì)稱或非對(duì)稱矩陣； PCG求解器適用于所有類型的分析（包括病態(tài)的梁 /殼結(jié)構(gòu)分析），但只對(duì)實(shí)對(duì)稱剛度矩陣有效； ICCG 求解器比 JCG 求解器更能求解病態(tài)問(wèn)題，適合于實(shí)數(shù)或復(fù)數(shù)的對(duì)稱或不對(duì)稱矩陣。 第頁(yè)共 34 頁(yè) ③結(jié)果評(píng)價(jià) 這一步驟包括 ANSYS 的全部后處理功能。 ANSYS 還為用戶提供了一個(gè)詢問(wèn)數(shù)據(jù)的功能，可將圖形窗口中的光標(biāo)位置的數(shù)據(jù)顯示出來(lái)。機(jī)床的主軸剛度則是主軸重要性能之一，它反映了機(jī)床抵抗外載荷的能力，對(duì)于高精度機(jī)床而言，主軸剛度對(duì)機(jī)床的性能影響則更為重要。它們分析結(jié)果如下： ① 第一工況主軸組件的剛度： 圖 主軸組件在切深方向的變形 第頁(yè)共 34 頁(yè) 由圖 可知，主軸組件在第一工況下，切削工件在切深方向的最大變形為，切削處的剛度 KB=112/ 107N/m。工作尺寸為：直徑 d=， 長(zhǎng)度L=， Dmax為最大回轉(zhuǎn)直徑。切削參數(shù)為：v=50m/min， f=~。對(duì)于某一型號(hào)車床，由此可確定出不不產(chǎn)生自激振動(dòng)的最大（極限）切削寬度 blim。由 式計(jì)算得K= 107N/m，因?yàn)榍邢魈幍膭偠?KBK，所以 CK6132 車床切削穩(wěn)定性較差。 圖 主軸組件在切深方向的變形 ② 主軸的第三工況 ,屬于精車加工 , 主軸組件在切深方向的變形，直接對(duì)工作形狀產(chǎn)生誤差，在該工況下，因主軸組件變形，工件上各點(diǎn)在切深方向的位移如圖 ，由此產(chǎn)生的直線度誤差為 10－ 5m。 ANSYS 的模態(tài)分析是線性分析，任何非線性特性將被忽略。 ANSYS 模態(tài)提取方法 ANSYS 提供了七種模態(tài)提取方法：它們分別是子空間法（ Subspace）、分塊 第頁(yè)共 34 頁(yè) 蘭索斯法（ Bock Lanczos）、 Power Dynamics 法、縮減法（ Reduced）、非對(duì)稱法（ Unsymmetric）、阻尼法（ Damped）和 QR 阻尼法（ QR Damped），前五種應(yīng)用于無(wú)阻尼自由振動(dòng)，阻尼法和 QR 阻尼法允許在結(jié)構(gòu)中存在阻尼。 從主菜單中選擇 Main Menu:SolutionAnalysis TypeNew Analysis 命令，打開(kāi) New Analysis 設(shè)置對(duì)話框，要求選擇分析的種類，選擇“ Modal” ，單擊 OK。 Block Lanczos Method 對(duì)話框，在 StartFreq(initial shift)文本框中輸入 0，在 End Frequency 文本框中輸入 10000，單擊 OK 按鈕。 同理施加約束在前端軸承上，坐標(biāo)為（ ， ），施加約束為 UX、 UY,UZ。 5．進(jìn)行求解 從主菜單中 Main Menu:SolutionSolveCurrent LS 命令，打開(kāi)一下確認(rèn)對(duì)話框和狀態(tài)列表，要求查看列出的求解選項(xiàng)。 ANSYS 會(huì)顯示求解過(guò)程中的狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn) Solution is Done 時(shí)，就可查看結(jié)果了。 第頁(yè)共 34 頁(yè) 模態(tài)分析計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表 SET TIME/FREQ LOAD STEP SUBSTEP CUMULATIVE 1 1 1 1 2 1 2 2 3 1 3 3 4 1 4 4 5 1 5 5 6 1 6 6 7 1 7 7 8 1 8 8 9 1 9 9 10 1 10 10 利用 ANSYS 對(duì) CK6132 數(shù)控車床的主軸組 件和主軸進(jìn)行了模態(tài)分析，得到以下結(jié)論： CK6132 數(shù)控車床的主軸組件的橫向振動(dòng)的最小固有頻率為 ,主軸的固有頻率與主軸的質(zhì)量分布有關(guān)，當(dāng)主軸上無(wú)工件時(shí)的固有頻率頻率比主軸上夾持工件時(shí)高；提高主軸的支承剛度，可以提高主軸的固有頻率；車床在加工過(guò)程中使用尾座支撐工件，可顯著提高主軸組件的固有頻率。電動(dòng)機(jī)為 YD1128/4,轉(zhuǎn)速為 720/1440r/min，功率為 3/。主軸分級(jí)變速箱公比 φ Rdp，所以車床轉(zhuǎn)速在380950r/min 范圍類功率不足。 （ 3） 主傳動(dòng)的計(jì)算轉(zhuǎn)速為 238r／ min。 (1)用 ANSYS分析計(jì)算出 CK6132數(shù)控車床在第一第二工況時(shí)主軸前端面的切削剛度分別為 107N/m、 107N/m。 (2)CK6132 車床精車時(shí)， 因主軸組件變 形 (包括軸承、主軸箱、主軸和工件 )，由此產(chǎn)生的直線度誤差為 105m。 第頁(yè)共 34 頁(yè) 致謝 本課題的研究和論文的撰寫工作都是在趙知辛老師的悉心指導(dǎo)下完成的，在論文撰寫過(guò)程中得到了趙老師的許多指導(dǎo)和鼓勵(lì)。此外 ,趙老師對(duì)學(xué)生在畢設(shè)和生活等方面的無(wú)微不至的關(guān)懷和幫助 ,更令我深深感動(dòng)。 CK6132 車床的 主傳動(dòng)功率 .............................................. 錯(cuò)誤 !未定義書(shū)簽。 ............................................................................................... 31 主軸組件的模態(tài)分析 ........................................................................................... 31