机床主轴设计及ansys分析毕业论文

机床主轴设计及ansys 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 毕业论文 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 机床主轴设计及ansys分析毕业论文 目录 第一章 绪论 ........................................ 错误～未定义书签。 1.1 选题背景 .................................................... 4 1.2 本课题的目的和意义 .......................................... 4 1.3 国内外研究状况 .............................................. 1 1.3.1 数控机床的发展 ......................................... 1 1.3.2 工程图及CAD的发展 ..................................... 2 1.3.3 国内外机床动静态特性研究现状 ........................... 3 1.4 课题的研究方法 .............................................. 4 1.5 研究内容 .................................................... 5 1.5.1 数控车床主轴结构设计 ................................... 5 1.5.2 车床主轴组件的三维建模 ................................. 5 ....... 5 1.5.3 主轴的ANSYS分析 ................................ 1.6 设计前提 .................................................... 6 1.6.1 设计要求 ............................................... 6 1.6.2 设计参数 ............................................... 6 第二章 对主轴组件的要求 ............................................. 7 2.1 基本要求 .................................................... 7 .................... 7 2.2 特殊要求 ................................ 2.2.1 旋转精度 ............................................... 7 2.2.2 静刚度 ................................................. 7 2.2.3 抗振性 ................................................. 8 2.2.4 升温和热变形 ........................................... 8 2.2.5 耐磨性 ................................................. 8 2.2.6 材料和热处理 ........................................... 8 2.2.7 主轴的结构 ............................................. 9 第三章 主轴轴承的选择 .............................................. 10 3.1 轴承的选型 ................................................. 10 3.2 轴承精度 ................................................... 12 3.3 轴承间隙调整和欲紧 ......................................... 12 3.4 本设计的轴承型号以及布局 ................................... 12 第四章 传动系统的设计 .............................................. 14 4.1 电动机的选择 ............................................... 14 4.1.1 电动机容量的选择 ...................................... 14 1 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 4.1.2 电动机转速的选择 ...................................... 14 4.2 传动系统的设计 .............................................. 15 4.2.1 选定齿轮类型,精度等级,材料及齿数....................... 15 4.2.2 按照齿面接触强度设计 .................................. 15 4.2.3 按照齿根弯曲强度设计 .................................. 17 4.2.4 几何尺寸计算 .......................................... 18 4.2.5 验算 .................................................. 19 第五章 主轴主要参数的计算及校核 .................................... 20 5.1 主轴的结构设计 .............................................. 20 5.2 主轴的主要参数的计算 ........................................ 20 5.2.1 前轴颈直径D .......................................... 20 1 5.2.2 主轴内径d ............................................. 21 5.2.3 主轴悬伸量a确定 ...................................... 21 5.2.4 主轴支承跨距的确定 .................................... 22 5.3 主轴材料及热处理 ............................................ 24 5.4 主轴设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ................................................ 25 5.5 轴的刚度计算 ................................................ 26 6 5.5.1 轴的弯曲变形计算 ...................................... 2 5.5.2 轴的扭转变形计算 ...................................... 27 第六章 主轴箱体 .................................................... 29 第七章 Solid Works三维实体设计装配 ................................. 30 第八章 主轴部件的ANSYS应力分析 .................................... 34 8.1 主轴静力分析概述 ............................................ 34 8.2 主轴ANSYS分析的一般过程 .................................... 34 8.3 主轴的受力分析 .............................................. 35 8.4 主轴ANSYS分析的具体过程 .................................... 37 8.2.1 ANSYS分析的前处理 ..................................... 37 8.2.2 ANSYS分析的后处理 ..................................... 40 第九章 展望与结论 .................................................. 45 致谢语 .............................................................. 46 参考文献 ............................................................ 47 附录1 三维装配图 .................................................... 48 附录2 X-Y截面剖切图 ................................................ 49 2 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 [摘要] 本文首先介绍了数控机床和工程图及CAD的发展，分析了国内外机床动静态特性研究现状，之后以数控车床的主轴及其零部件的设计为主要内容，先讲述了数控机床的主轴部件的设计要求，合理选择轴承型号，设计出主轴的前轴颈直径D，主轴内径d,前端的1 悬伸量a和主轴支承跨距L等，从而设计出主轴，之后选择具体的轴承，设计出轴承端盖和主轴箱体，提出了主轴的材料、热处理和技术要求等。 将所设计的数控车床的主轴及其零部件在SolidWorks中对设计的主轴及其零部件进行三维建模，画出零件图以及装配图。最后将所画的车床主轴导入ANSYS进行网格化分，计算出主轴所受到的力，之后施加约束和载荷，最后得出对主轴进行静应力分析结果，得到主轴的应力分布，进而分析主轴的受力状况，验证设计的合理性同时对实践进行指导。 【关键词】 数控车床 主轴 Solid Works建模 ANSYS应力分析 3 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 Design and Stress Analysis of CNC Lathe Spindle Tool Key Components 【ABSTRACT】 This paper introduces the finite element analysis of CNC machine tools and the development of CAD research status, and then to the spindle CNC lathe and parts of the design as the main content, the first CNC machine tool spindle about the design of components request, a reasonable choice bearing type, designed the first journal diameter spindle D1, spindle diameter d, the amount of front overhang and the spindle bearing a span of L, so as to design the spindle, then select the specific bearing design bearing side box cover and the spindle, a spindle made of materials, heat treatment and technical requirements. The design of the spindle CNC lathe and its parts in Solid Works design in the axis of three-dimensional modeling of parts and components, parts diagrams and assembly drawings draw. Finally, the painting spindle for meshing into ANSYS to calculate the force received by the spindle, and then applied constraints and loads, came to the conclusion of the spindle static stress analysis, stress distribution by the spindle, and then analyzes the spindle force status, verify the rationality of the design while practice guidance. 【Keyword】CNC Lathe Spindle Solidworks modeling Stress analysis by Ansys 4 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 第一章 绪论 1.1 选题背景 随着市场上产品更新换代的加快和对零件精度提出更高的要求，传统机床已不能满足要求。数控机床由于众多的优点已成为现代机床发展的主流方向。它的发展代表了一个国家设计、制造的水平，在国内外都受到高度重视。 现代数控机床是信息集成和系统自动化的基础设备，它集高效率、高精度、高柔性于一身，具有加工精度高、生产效率高、自动化程度高、对加工对象的适应强等优点。实现加工机床及生产过程的数控化，已经成为当今制造业的发展方向。可以说，机械制造竞争的实质就是数控技术的竞争。 1.2 本课题的目的和意义 设计中通过运用所学的基础课、技术基础课和专业课的理论知识，生产实习和实验等实践知识，达到巩固、加深和扩大所学知识的目的。通过设计分析比较机床的某些典型机构，进行选择和改进，学习构造设计，进行设计计算和编写技术文件，达到学习设计步骤和方法的目的。通过设计查阅有关设计手册、设计标准和资料，达到积累设计知识和提高设计能力的目的。通过设计获得设计工作的基本技能的训练，提高分析和解决工程技术问题的能力，并为进行一般机械的设计创造一定的条件。本设计采用solidworks三维建模软件对数控车床主轴关键零部件进行三维建模，使设计立体化，直观化。另外本设计采用有限元分析软件ANSYS对主轴的应力，位移等进行分析，不但大大地减少了设计计算验算的时间，而且使分析数据更加完善更加准确。对比传统的机械设计，本设计综合选用新一代设计软件，利用计算机的强大的运算功能，缩短产品设计的开发周期，提高设计数字的准确性。 1.3 国内外研究状况 1.3.1 数控机床的发展 3 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 数控机床(numerical control machine tool)是采用了数字控制技术(numerical control简称NC)的机械设备，就是通过数字化的信息对机床的运动 [1]及其加工过程进行控制，实现要求的机械动作，自动完成加工任务。数控机床是典型的技术密集且自动化程度很高的机电一体化加工设备。 第一台数控机床是由美国Parsons公司与美国麻省大理工学院(MIT)于1952年合作研制成功的，当时是为了加工直升飞机螺旋桨叶片轮廓的检查样板。1959年，美国克耐杜列克公(Keaney & Trecker)首次成功开发了加工中心(machining center,简称MC)，这是一种有自动换刀装置和回转工作台的数控机床，可以在一次装夹中对工件的多个平面进行多工序的加工(包括钻孔、锪孔、攻丝、镗削、平面铣削、轮廓铣削等)。 20世纪90年代以来，欧、美、日各国争相开发高速数控机床，加快机床高速化的步伐。高速主轴单元(电主轴的转速达15000r,min一1000000 r,min)，高速且高加/减速度的进给运动部件(快移速度60m,min-120m,min，切削进给速度高达60m,min)高性能数控和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平[1]。随着超高速切削机理、超硬耐磨长寿命刀具材料和磨料磨具、大功率高速电主轴、高加,减速度的进给运动部件以及高性能控制系统和防护装置等一系列技术领域中关键技术的解决，新一代高速数控机床将应用于机械制造业。从精密加工发展到超精密加工，是世界各工业强国致力发展的方向。超精密加工主要包括超精密切削、超精密磨、研磨、抛光以及超精密特种加工。随着现代科学技术的发展，对超精密加工技术不断提出了新的要求，发展超精密加工机床，是现代科技发展的要求。数控车床主轴是数控车床的关键零件之一，它直接影响数控车床的加工性能，主轴的动态特性的好坏直接影响主轴高速化的实现。因此，研究数控车床主轴的动静态特性对实现高速、高精度车削具有积极的意义。 1.3.2 工程图及CAD的发展 工程图是工程师的语言，绘图是工程设计的一个重要环节，对于机械工程师而言，绘图是把所设计的产品转化为真实有价值的产品的一个必经环节。然而，图纸的绘制是一个极其繁琐的工作，不但要求正确，准确，而且随着环境，需求等外部条件的变化，设计方案也会随之变化。一项工程图的绘制往往是需要数次 2 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 的修改后才能完成的。 在早期，工程师采用手工绘图。他们用草图表达设计思想，手法不一。后来逐渐形成了一套规范，工程制图标准也随之诞生。但是由于项目的多样性，多变性，使手工绘图周期长，效率低，从而阻碍了建设的发展。工程师们梦想着何时能甩开图板，实现自动画图，将自己的设计思想用一种简洁美观的标准方式表达出来，便于修改，易于重复利用，提高劳动效率。 随着计算机的迅猛发展，工程界的迫切需要，计算机辅助绘图(Computer Aided Drafting)应运而生。早期的计算机辅助设计系统是在大型机上开发的，需要几百万美元，往往只有规模很大的企业才能应用，小企业则难以望其项背，更别说个人了。进入80年代，微型计算机的迅猛发展，使计算机辅助工程设计逐渐成为现实。小企业乃至个人也能使用上计算机辅助绘图。 计算机绘图是通过编制计算机辅助绘图软件，将图形显示在屏幕上，用户可用光标对图形进行编辑及修改。由微机和输入输出设备以及计算机绘图软件组成了一套计算机辅助绘图系统。 由于微机和各种外部设备的进一步发展，计算机辅助绘图软件的开发也得到长足的发展。工程师所设计的方案很多是需要进行大量的计算，分析和比较，以决定最优方案的。这时，各种设计数字，文字，图形等都能存放在计算机的内存或外存里，并能快速地检索及调用。利用计算机绘图软件对所设计产品进行修改，放大，缩小，平移和旋转等有关的图形数据加工工作。CAD能够减轻设计人员的计算画图等重复性劳动，使其专著于设计本身，缩短设计周期和提高设计质量。至今，CAD软件已经在各行业工程师中普及。AUTOCAD，PRO/E，SOLIDWORKS，UG等软件已经开发出来了几代产品。CAD的不断发展，使工程师的绘图工作逐渐简化，把更大的精力投入产品的设计本身，这是设计行业发展的一个重要前提。 1.3.3 国内外机床动静态特性研究现状 主轴单元的动静态特性包括主轴的变形、共振频率、临界转速和动态响应等，其对主轴速度和精度性能有极大的影响，早在上世纪20年代就开始了有关研究。上世纪60年代以前，基本上采用经验类比法进行主轴的结构和动态性能设计。六十年代初，开始出现最佳跨距计算，使主轴的结构设计有了很大的改进，由于计算方法和手段的限制，对动力学模型通过简化后，只能图解法或解析法分析， 3 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 方法繁琐，计算精度低。 近20年来计算机和计算机技术的发展，主轴的动态特性研究进入了新的阶段，各种计算方法相继问世，如古典结构分析法、传递矩阵法、有限差分法、有限元法和结构修正法等。 美国工程师们进行了机床动态设计与控制相结合的研究，Michigan大学T(jiang应用有限元法和动态分析的基础上，用数学模型来模拟机床的连接形式，建立了机床整机的动力学模型，并对机床结合面连接件的位置和数量进行了拓扑优化。 伊朗工程师们用有限元方法分析了在车削过程中车床和工件的稳定性，用ANSYS软件分析了车床整体的动态特性，并对TN40A车床进行了实验模态分析。 兰州理工大学吴晖对Q3808A无心车床的主轴系统及传动系统的动力学特性 [2]进行了研究。建立了主轴系统基于Riccati传递矩阵法的质量分布梁动力学模型，获得了机床主轴系统横向振动时其固有频率的有关信息，以及主轴系统主要设计参数对系统动态特性的影响有关信息。建立了机床传动系统基于Riccati传递矩阵法的动力学模型以及与之相应的数学模型，获得了传动系统扭转振动时有关其固有频率方面的信息。 广东工业大学胡爱玲对高速主轴动静态特性的有限元分析进行了研究，该课题主要以高速大功率的镗铣加工中心电主轴为研究目标，以实现电主轴的高速、 [3]高加工精度入手，对电主轴的动静态特性进行了研究。 东南大学倪晓宇，基于ANSYS软件针对机床组件进行有限元分析和优化设计 [4]的专用软件系统的研究与开发。 综合以上文献资料可以发现，国内国外对机床动静态特性的研究十分活跃，前人在这方面做了大量的工作，数控车床的动静态分析提供了参考。机床动静态分析的原理方法是具有共性的，用动静态分析的原理方法来分析具体的机床是有其特殊性的，所以，在有限元方法在数控车床设计中的应用方面做一些探讨是有意义的。 1.4 课题的研究方法 1(结合数控机床设计手册对数控机床关键零部件进行设计; (1)数控车床的主轴设计; 4 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 (2)轴承设计; (3)密封设计; (4)各零件的定位设计; (5)箱体的设计; (6)传动系统的设计; 2(用SOLIDWORKS对所涉及的数控机床关键零部件进行三维建模;在本论文第七章有详细叙述，在此不作深入探讨。 3(ANSYS对主轴进行应力分析，得到主轴的应力状态，用于指导实践。在本论文第八章有详细叙述，在此不作深入探讨。 1.5 研究内容 1.5.1 数控车床主轴结构设计 1(主轴组件的基本要求。要综合考虑设计零件的应力，应变，弯曲变形等问题。在本论文第二章有详细叙述。 2(车床主轴常用滚动轴承。要综合考虑轴承的搭配，如何选用合适的轴承，轴承的使用寿命等问题。在本论文第三章有详细叙述。 3(主轴的主要参数设计。包括前轴颈直径D1，主轴内径d，主轴悬伸量a，主轴支承跨距等。在本论文第五章有详细叙述。 1.5.2 车床主轴组件的三维建模 1(零件图的绘制; 2(标准件的选用; 3(装配图绘制; 1.5.3 主轴的ANSYS分析 1(三维建模; 2(网格划分; 3(加载约束和载荷; 4(应力分析结果; 5 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 1.6 设计前提 1.6.1 设计要求 本设计为数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析，关键零部件主要由主轴箱，主轴，电动机等组成。 主轴是数控车床的关键部位，其结构优劣对数控车床的性能有很大的影响，因此，在设计的过程中要多加注意。主轴前后的受力不同，故要选用不同的轴承。零件的定位，材料的热处理等也会影响到数控车床的整体性能，故在设计时也需要多加注意。 1.6.2 设计参数 参数:P=4.5kw，n=1450r/min，切削力为850N 6 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 第二章 对主轴组件的要求 2.1 基本要求 主轴组件是机床的重要组成部分之一。主轴组件通常由主轴、轴承和安装在主轴上的传动件等组成。车床工作时，由主轴夹持着工件直接参加表面成形运动。所以主轴组件的工作性能，对加工质量和机床生产率有重要影响。 对车床主轴组件的要求，和一般传动轴组件有共同之处，就是都要在一定的转速下传递一定的扭矩;都要保证轴上的传动件和轴承正常的工作条件。 2.2 特殊要求 主轴是直接带着工件进行切削的，机床的加工质量，在很大程度上要靠主轴组件保证。因此，对于主轴组件，有许多特殊要求。 2.2.1 旋转精度 主轴的旋转精度上是指装配后，在无载荷，低转速的条件下，主轴前端工件或刀具部位的径向跳动和轴向跳动。 主轴组件的旋转精度主要取决于各主要件，如主轴，轴承，箱体孔的的制造，装配和调整精度。还决定于主轴转速，支撑的设计和性能，润滑剂及主轴组件的平衡。 通用(包括数控)机床的旋转精度已有标准规定可循。 2.2.2 静刚度 主轴组件的静刚度(简称刚度)反映组件抵抗静态外载荷变形的能力。影响主轴组件弯曲刚度的因素很多，如主轴的尺寸和形状，滚动轴承的型号，数量，配置形式和欲紧，前后支撑的距离和主轴前端的悬伸量，传动件的布置方式，主轴组件的制造和装配质量等。 各类机床主轴组件的刚度目前尚无统一的标准。 7 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 2.2.3 抗振性 主轴组件工作时产生震动会降低工件的表面质量和刀具耐用度，缩短主轴轴承寿命，还会产生噪声影响环境。 振动表现为强迫振动和自激振动两种形式。 影响抗振性的因素主要有主轴组件的静刚度，质量分布和阻尼(特别是主轴前支撑的阻尼)主轴的固有频率应远大于激动力的频率，以使它不易发生共振。 目前，尚未制定出抗振性的指标，只有一些实验数据可供设计时参考。 2.2.4 升温和热变形 主轴组件工作时因各相对运动的处的摩擦和搅油等而发热，产生温升，从而使主轴组件的形状和位置发生变化(热变形)。 主轴组件受热伸长，使轴承间隙发生变化。温度是使润滑油粘度降低，降低了轴承的承载能力。主轴箱因温升而变形，使主轴偏离正确位置。前后轴承的温度不同，还会导致主轴轴线倾斜。 由于受热膨胀是材料固有的性质，因此高精度机床要进一步提高加工精度，往往受热变形的限制。研究如何减少主轴组件的发热，如何控制温度，是高精度机床主轴组件的研究的主要课题之一。 2.2.5 耐磨性 主轴组见的耐磨性是指长期保持原始精度的能力，即精度保持性。对精度有影响的首先是轴承，其次是安置刀，夹具和工件的部位，如锥孔，定心轴径等。 为了提高耐磨性，一般机床主轴上的上述部分应淬火至硬度HRC60左右，深约 [5]1mm。 2.2.6 材料和热处理 主轴承载后允许的弹性变形很小，引起的应力通常远远小于钢的强度极限。因此，选材的依据一般不用强度。 主轴的形状，尺寸确定之后，刚度主要取决于材料的弹性模量。各种材料的弹性模量几乎相同，因此刚度也不是选材的依据。 8 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 主轴材料的选择主要根据耐磨性和热处理变形来考虑。普通机床的材料通常 [6]是45号或60号优质中碳钢，数控机床需调质处理。 2.2.7 主轴的结构 为了提高刚度，主轴的直径应该大些。前轴承到主轴前端的距离(称悬伸量)应尽可能小一些。为了便于装配，主轴通常做成阶梯形的，主轴的结构和形状与主轴上所安装的传动件，轴承等零件的类型，数量，位置和安装方法有直接的关系。 主轴中孔用与通过棒料，拉杆或其它工具。为了能够通过更大的棒料，车床 [6]的中空希望大些，但受刚度条件的影响和限制，孔径一般不宜超过外径的70%。 9 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 第三章 主轴轴承的选择 3.1 轴承的选型 主轴轴承是主轴组件的重要组成部分，它的类型、结构、配置、精度、安装、调整、润滑和冷却都直接影响了主轴组件的工作性能。在数控机床主轴上常用的轴承有滚动轴承和滑动轴承。 滚动轴承摩擦阻力小，可以欲紧，润滑维护简单，能在一定的转速范围和载荷变动范围下稳定地工作。滚动轴承有专业化工厂生产，选购维修方便，在数控机床上被广泛采用。虽然与滑动轴承相比，滚动轴承的噪声大，滚动体的数目有限，刚度是变化的，抗震性略差，但总体来说，数控机床主轴组件在可能的条件下，应尽量使用滚动轴承，特别是大多数立式主轴和主轴在套筒内能够作轴向移动的主轴。这时用滚动轴承可以用润滑脂润滑，以避免漏油。由于滚动轴承有许多优点，加之加工精度的提高，所以，一般情况下数控机床应尽量采用滚动轴承，只有要求加工表面粗糙度数值和小时，且主轴又是水平的机床时才用滑动轴承，而本设计内容为小型加工中心主轴组件设计，所以要选用滚动轴承了。 滚动轴承根据滚动体的结构分为球轴承、圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承三大类。 主轴支承分径向和推力支承。角接触轴承包括角接触球轴承和圆锥滚子轴承，兼起径向和推力支承的作用。主轴轴承，可选用圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承和角接触球轴承。 主轴轴承，主要应根据精度、刚度和转速来选择。为了提高精度和刚度，主轴轴承的间隙应该是可调的。线接触的滚子轴承比点接触的球轴承刚度高，但在一定温升下允许的转速较低。下面简述几种常用的数控机床主轴轴承的结构特点和适用范围。 双列圆柱滚子轴承(NNU4900K、NN3000K)，如图3.1所示，特点是内孔为l:12的锥孔，与主轴的锥形轴颈相配合，轴向移动内圈，可把内圈胀大，以消除径向间隙或预紧，这种轴承只能承受径向载荷。NNU4900K系列双列圆柱滚子轴承内圈可分离，NN3000K双列圆柱滚子轴承外圈可分离。这类轴承多用于载荷较 10 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 大、刚度要求高、中等转速的地方。 图3.1 双列圆柱滚子轴承 双向推力角接触球轴承BTA-A,BTA-B。这种轴承与双列圆柱滚子轴承相配套，用来承受轴向载荷。 角接触球轴承(70C,70AC)，这种轴承既可以承受径向载荷又可以承受轴向载荷。常用的接触角主要有两种:,=25?，,=15?，其中,=25?的编号为1 7000AC型(旧代号为46100型)，属于特轻型;或编号为7190AC型(旧代号为46900型)，属于超轻型。,=15?的编号为7000C型(旧代号为36100型)，属1 于特轻型;或编号为7190C型;或编号为7190C型(旧代号为1036900型)，属于超轻型。如图3.2所示。 角接触球轴承多用于高速主轴，水接触角的不同有所区别，α=25?的轴向刚度较高，但径向刚度和允许的转速略低，多用于车、镗、铣加工中心等主轴;α=15?的转速可更高一些，打扮轴向刚度较低，常用于轴向载荷较小、转速较高的磨床主轴或不承受载荷的车、镗、铣主轴后轴承。这种轴承为点接触，刚度较低。为了提高刚度和承载能力，常用多联组的方法。 图3.2 双列圆柱滚子轴承 11 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 3(2轴承精度 轴承的精度，分为2、4、5、6、0五级，其中2级最高，0级为普通精度级。主轴轴承以4级为主(记为P4)。高精度主轴可用P2级。要求较低的主轴或三支承主轴的辅助支承可用P5级。P6级和P0级一般不用。此外又规定了2种辅助 [7]精度等级SP(特殊精密级)和UP(超精密级)。由于轴承的工作精度主要决定于旋转精度，箱体孔和主轴轴颈是根据一定的间隙和过盈要求配作的。因此，轴承内、外径的公差即使宽些也不影响工作精度，但却降低了成本。 不同精度等级的机床，主轴轴承的精度可参照表3.1选用。数控机床，可按精密级或高精度级选用。 表3.1 主轴轴承精度 机床精度等级 前轴承 后轴承 普通精度等级 P5或P4(SP) P5或P4(SP) 精密级 P4(SP)或P2(UP) P4(SP) 高精度级 P2(UP) P2(UP) 3.3 轴承间隙调整和欲紧 主轴轴承的内部间隙，必须能够调整。多数轴承，还应能够在过盈状态下工作，使滚动体和滚道之间有一定的欲变形，这就是轴承的欲紧。 轴承欲紧后，内部无间隙，滚动体从各个方向支承主轴，有利于提高运动精度。滚动体的直径不可能绝对相等，滚道也不可能绝对正圆，因而欲紧前只有部分滚动体和滚道接触。欲紧后，滚动体和滚道都有了一定的变形，参加工作的滚动体将更多，各滚动体的受力将更均匀。这都有利于提高轴承的精度、刚度和寿命。如主轴产生振动，则由于各个方向都有滚动体支承，可以提高抗振性。但是，欲紧后发热较多，温升较高;且太大的欲紧将使轴承的寿命降低，故欲紧要适当。本设计为小型加工中心主轴组件设计，功率相对较小，所以取中欲紧。 3.4本设计的轴承型号以及布局 根据上述轴承选用的要求结合本设计的要求，轴承选用如下:后支承:圆锥孔双列圆柱滚子轴承(NN3000K型)精度等级相当于P5级，前支承:两个推力球 12 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 轴承(51000型)和一个圆锥孔双列圆柱滚子轴承(NN3000K型)组配精度等级相当于P5级，并且轴承为中欲紧，如图3.3所示为选用轴承的安装简图。 图3.3 本设计轴承结构选用 13 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 第四章 传动系统的设计 4.1电动机的选择 按照设计要求以及工作条件，选用Y系列三相异步电动机，卧式封闭结构，电压380V。 4.1.1电动机容量的选择 1(工作主轴功率 2(工作机所需电动机功率 (4-1) 上式中，为工作主轴功率，为工作机所需电动机功率，为传动系统的总效率。 [8]由于此处的传动系统为7级精度圆柱直齿轮传动，根据机械设计手册取 ，所以 (4-2) 为满足的条件，电动机的额定功率应该取5.5Kw 4.1.2电动机转速的选择 根据已知条件，主轴转速为1450r/min，选同步转速为3000 r/min的电动机，对应额定功率为5.5Kw，其型号为Y132S1-2。将Y132S1-2型电动机有关 [8]技术数据及相应算得的总传动比列于表4-1。 表4-1电动机数据表 电动机型号 总传动比 额定功率(Kw) 同步转速(r/min) 满载转速(r/min) 14 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 Y132S1-2 5.5 3000 2900 2 综上，选取的Y132S1-2型三相异步电动机额定功率为5.5Kw，满载转速为2900r/min，电动机中心高H=132mm。 4.2传动系统的设计 传动系统选为齿轮传动，设定工作寿命为15年(设每年工作300天)，两班制且工作平稳，转向不变。 4.2.1选定齿轮类型，精度等级、材料及齿数 1(根据传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动。 2(即床位一般工作机床，故选用7级精度。 3(材料选择。选择小齿轮材料为40Cr (调质)，硬度为280HBS，大齿轮材料为45钢(调质)硬度为240HBS，而这材料硬度差为40HBS。 4(选小齿轮齿数z=24,大齿轮齿数z=u×z=2×24=48。 121 4.2.2按照齿面接触强度设计 1(由设计计算公式进行试算，即 2KTZZu，12t2HEd,，，() 3t1,,,u,,,dH (4-3)2(确定公式内的各计算数值 [8](1)试选载荷系数 (2)计算小齿轮传递的转矩 (4-4) [8](3)选取齿宽系数 [8]12(4)查得材料的弹性影响系数ZMPa,189.8 E [8](5)按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限σHlim1,600MPa;大齿轮的接触疲劳强度极限σHlim2,550MPa; 15 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 (6)计算应力循环次数 9 N,60n2jLh,60×200.72×1×(2×8×300×15),4.147×101 9 N,N/2,1.296×1021 [8](7)查得接触疲劳寿命系数K,0.90;K,0.95 HN1HN2 (8)计算接触疲劳许用应力 取失效概率为1,，安全系数S,1，得 [σH],0.9×600MPa,540MPa (4-5) 1 [σH],0.95×550MPa,522.5MPa (4-6) 2 3(计算 (1)试算小齿轮分度圆直径，代入[]中较小的值 mm =38.751mm (4-7) (2)计算圆周速度 (4-8) (3)计算齿宽b及模数 mnt (4-9) (4)计算齿宽与齿高之比b/h 模数 (4-10) 齿高 (4-11) (4-12) (5)计算载荷系数K [8] 根据v=5.88m/s,7级精度，查得动载系数;直齿轮，假设 [8]K,1，查得已知载荷平稳，查得使用系数7A [8]级精度，小齿轮相对支承对称布置时，查得 16 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 (4-13) 将数据代入后，得到， (4-14) [8]由和 查得 故载荷系数 (6)按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径，得 (4-15) (7)计算模数m (4-16) 4.2.3按齿根弯曲强度设计 1(弯曲强度的设计公式为 22cosKTY,YY,2FaSa3 ,，mn2z,,,,,dF1, (4-17)2(确定计算参数 [8]查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限; [8]大齿轮的弯曲疲劳强度极限; [8]查得弯曲疲劳寿命系数 3(计算弯曲疲劳许用应力 [8]取弯曲疲劳安全系数S=1.4，得到 (4-18) 17 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 (4-19) 4(计算载荷系数K (4-20) [8]查询齿形系数查得; [8]查取应力校正系数; 5(计算大小齿轮的并加以比较 (4-21) (4-22) 由上面两个计算结果知道大齿轮的数值大。 6(设计计算 (4-23) 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，可取由弯曲强度算得的模数1.148并就近圆整为标准值m=1. 5，按接触强度算得的分度圆直径 ，算出小齿轮的齿数 (4-24) (4-25) 4.2.4几何尺寸计算 18 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 1(计算分度圆直径 (4-26) (4-27) 2(计算中心距 (4-28) 3(计算齿轮宽度 (4-29) 取 4.2.5验算 (4-30) (4-31) T1为以计算得出的小齿轮传动转矩。所以，设计合适。 19 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 第五章 主轴主要参数的计算及校核 5.1主轴的结构设计 主轴的构造和形状主要决定于轴上所安装的传动件、轴承等零件的类型、数量、位置和安装方法等。同时，还应考虑主轴的加工和装配的工艺性。为了便于装配，常把主轴做成阶梯形。 主轴头部的构造，应保证夹具、顶尖或刀具的准确安装，并便于装卸，还应尽量缩短主轴端的悬伸长度。主轴头部已标准化。 车床主轴是空心的，为了能通过较粗的棒料，中孔直径常希望大一些，但中孔对主轴刚度是有影响的，d,D(d和D分别为中孔和主轴的直径)不宜大于0.7。 5.2 主轴的主要参数的计算 主轴的主要参数包括主轴的平均直径D(或前轴颈直径D)，主轴内径d(对1于空心主轴而言),前端的悬伸量a和主轴支承跨距L等。一般步骤是首先确定前轴颈直径D,然后确定内径d和主轴前端的悬伸量a，最后再根据D、a和主轴1 前支承的刚度确定支承跨距L。 5.2.1 前轴颈直径D 1 主轴前轴颈直径D的增大能大大提高主轴的刚度，但也会使主轴上的传动1 件和轴承的径向尺寸加大。主轴前轴颈直径D应在合理的范围内尽量选大些。1 [9]D可根据机床主电动机功率来确定。对于本设计可参考表5.1选取。 1 表5.1 主轴前轴颈直径D的大小(单位:mm) 1 功率(Kw) D 1.4~2.5 2~3.6 3~5.5 5~7.3 7.4~11 1 机床 车床 60~80 70~90 70~105 95~130 110~145 20 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 铣床及加工中心 50~90 60~90 60~95 75~100 90~105 外圆磨床 —— 50~60 55~70 70~80 75~90 已知功率P=4.5Kw，且为数控车床，查上表可取D=100mm主轴后轴颈直径1 D小于前轴颈直径D，一般D= (0.75~0.85) D从而得到后轴颈直径 2121 D=0.8×100=80mm所以主轴前轴颈直径D=100mm, 后轴颈直径D=80mm 212 5.2.2 主轴内径d 主轴内孔径与机床类型有关，主要用来通过棒料，镗杆，拉杆，或顶出顶尖等。确定内孔径原则是:为减轻主轴重量，在满足不削弱主轴刚度的要求下，应取较大值。 主轴的孔径大小主要受主轴刚度的制约，孔径d对主轴刚度的影响是通过抗弯截面惯性矩体现的，即主轴本身的刚度K正比于抗弯截面惯性矩I，其关系为: 4KI,,d空空==1,可以得出主轴的孔径与主轴直径之比，小于0.3时空心主轴的,,KID,,1实实 刚度几乎与实心主轴相等;等于0.5时空心主轴的刚度为时新主轴的90%;大于 [9]0.7时，空心主轴的刚度就急剧下降，一般可取其比值为0.5左右。 dd[8]考虑到这，推荐值本设计取，上面已经算出D=100mm，所=0.6=0.60.65:1DD11 以主轴内径d=60mm。 图5.1 主轴悬伸量以及支承跨距 5.2.3 主轴悬伸量a确定 主轴悬伸量指主轴前支承径向反力作用点到主轴前端受力作用点之间的距离，如图5.1所示。无论从理论分析还是从实际测试的结果来看，悬伸量与主轴部件的刚度及抗振性成反比，主轴悬伸量a越小越能提高主轴部件的刚度，因此 21 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 [9]主轴悬伸量应尽量取小值。初选a值可参考表5.2。 表5.2 主轴悬伸量与前轴颈直径之比 车床和主轴类型 aD1 0.6~1.5 精密车床、自动车床用滚动轴承支承，适用高精度和普通精度要求 中等长度和较长主轴端的车床和铣床，悬伸不太长(不是细长)的精密 1.25~2.5 镗床和内圆磨床，用滚动轴承和滑动轴承支承适用于绝大部分普通生产 要求 a 根据本设计的要求并且结合表5.1，，D=100mm,计算取悬伸量a=0.61.5:1D1 为80mm。 5.2.4 主轴支承跨距的确定 主轴支承跨距L是指主轴相邻两支承的支反力作用点之间的距离。主轴跨距是主轴系统动静刚度的重要影响因素，主轴轴端受力F作用后，其轴端的弹性变 L=L0形为y，当所设计的支承跨度时，可使主轴部件的刚度K最大，成为“最 EIL0,=3KaaA佳跨距”。为方便起见，令变量为横坐标，为纵坐标作出计算线图， EI,=3KaA如图5.2所示，使用该图线时，先计算出综合变量，在横坐标轴上找到 KA的位置，然后向上作垂线与相应的斜线相交，再从交点作水平线与纵坐标轴KB L0相交得到，因为a已知，便得到最佳跨距。 a 22 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 图5.2 主轴最佳跨距的计算线图 上述式中，E为主轴材料的弹性模量，各种钢材的E的均值在 44,()Dd,左右，I()为主轴截面的平均惯性矩，,分别为前后支I,KK、AB64 ,1承的刚度，单位Nmm.。计算时的单位:长度为cm;力为N;刚度为N/cm;弹 2性模量为Ncm/。 下面就本设计进行计算: 本设计的轴承为，后支承:圆锥孔双列圆柱滚子轴承(NN3000K型)精度等级相当于P5级，前支承:两个推力球轴承(51000型)和一个圆锥孔双列圆柱滚子 [9]轴承(NN3000K型)，由表5.3可得K的估算值为 A 1.411.4171,,, KDNmmNmmNmm,，,，,，1700.1700100.1.0710.A11 (5-1) 4444,,()(106)Dd,,4Icm,,,427.3 6464 (5-2) 5272ENmmNcm,，,，2.110/2.110/ (5-3) 7EI2.110427.3，，, =1.63,,373Ka1.07108，，A (5-4) KA: 由于后支承刚度对主轴的刚度影响较小，估算时可按进行计算，,1.42KB LK0Aamm,80,4.2:由,,1.63，,1.42，结合图4.2，得到， aKB 23 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 表5.3 主轴轴承配置形式及前支承刚度K的估算式 A Lmm,336,合理跨距 0 LL,(0.751.5): 0 (5-5) Lmmmm,252504: , (5-6) 取L=400mm所以主轴支承跨距L=400mm。 5.3主轴材料及热处理 主轴允许受载后的弹性变形是很小的，由此引起的应力也很小。因此在一般情况下，强度不是需要考虑的主要问题。只有重载主轴，或因构造上的原因，主轴不得不设计得很细时，才需考虑强度问题。 在几何形状一定时，主轴的刚度决定于材料的弹性模量。各种钢材的弹性模 24 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 量几乎没有什么差别，因此刚度不是选择材料的依据。 主轴材料的选择，主要应根据耐磨性和热处理后变形的大小来选择。一般普 [8]通机床的主轴，可以采用45或60优质碳钢，调质到HB220~250左右。在头部锥孔，定心轴颈或定心锥面等部位，高频淬硬至HRC50~55。如果支承为滑动轴承，则轴颈处也需淬硬，硬度同上。精密机床的主轴，希望淬火应力要小，这时 [8]可用40Cr或低合金钢20Cr，16MnCr5，12CrNi2A等渗碳淬硬。 根据上述要求，本设计选用45钢，调质处理，以提高耐磨性。 5.4主轴设计方案 综上所述本设计主轴前端轴颈的直径100(mm)，后端轴颈的直径80(mm)，通孔直径60(mm)。前端锥孔为莫氏锥度5号，材料选用45钢，其结构图如图5.3。 图5.3 轴的结构图 轴承选用如下:后支承:圆锥孔双列圆柱滚子轴承(NN3016型)，前支承:两个推力球轴承(51120型)和一个圆锥孔双列圆柱滚子轴承(NN3020型)组配， 如图5.4所示。 25 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 aL 图5.4 轴承布置以及距离要求 5.5轴的刚度计算 对于一般机床主轴，主要进行刚度验算，通常能满足刚度要求的主轴也能满足强度要求。只有对粗加工、重载荷的主轴才需要进行强度验算，对高速主轴，必要时要进行临界转速验算，以防止共振现象的发生。 轴的刚度计算，一般是计算轴受载时某些部位的变形量，检查是否小于许用值或者符合所要求的数值。 此设计中前轴承采用双列圆柱滚子轴承(型号为NN3020)，主要承受径向载荷。轴向载荷由一对背靠背组配两个推力球轴承(51120)，承受轴向载荷。主轴后轴承采用双列圆柱滚子轴承(型号为NN3016)。前轴承内径为100mm，后轴承内径为80mm，跨距L=400mm，主轴前悬量a=80mm，主轴孔直径60mm，主轴前端加载F为850N。 下面对所设计的轴进行刚度计算。 5.5.1轴的弯曲变形计算 参照一般机械制造业中，查阅轴的许用挠度[y]和许用偏转角的表格，得[], [](0.00030.0005)yL,:到一般用途的轴，许用挠度，L为支承跨距。 max xL,0.57735如图5.5为主轴组件计算模型，对于受力情况如此的轴，在处。 2FLay, (5-7) max15.55EI 4444,,()(106)Dd,,4Icm,,,427.3 6464 (5-8) 5272ENmmNcm,，,，2.110/2.110/ (5-9) 26 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 28580400，，,5 ymm,,，7.8010,(0.00030.0005):Lmax54 (5-10)15.552.110427.310，，，， 此轴的最大挠度小于许用挠度。最大偏转角发生在F的作用点处。 ,，,，，，，FaLa(23)8580(2400380),6 (5-11) ,,,,，1.3110radmax54662.110427.310EI，，， [9]查车床设计手册有，圆柱滚子轴承处的许用调心球轴承处的许用,,0.0025,,max 小于许用偏转角，综上所述，轴的弯曲变形满足要求。 ,,,0.05,,,max 图5.5 主轴组件计算模型 5.5.2轴的扭转变形计算 ,轴的扭转变形，用每米轴长的扭转角来表明。其许用值通常没有严格规定， oo,,0.250.5/:m一般可按照如下选取:对于精密传动 ;对于一般传动，,, [8]ooo,,0.51/:m,1/m ;对于精度要求不高的传动，可大于。此处，,,,, 584，，TLoo1,,0.250.5/:m由圆轴扭转角的简化计算公式得，，其中L1,,,,44Gd100,，，1为轴所受转矩的作用长度，对于此设计，L1=570mm, 9550PM, (5-12) nn 其中，P为该轴的额定功率，单位:Kw。n为转速,单位:r/min。为转矩， 27 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 单位:。 将P=4.5Kw，n=1450r/min代入上式，得到 ，95504.5 (5-13) MNm,,29.6.n1450 TNm,29.6.所以 3584，，TL58429.610570，，，1,,,,, ,,44844Gd1008.11010060,，，,，，，，1 (5-14) 所以满足要求。 总之，经过计算得，此轴的设计满足刚度要求。 28 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 第六章 主轴箱体 上述各机构和装置都装在箱体中，并应保证其相互位置的准确性。本设计中 采用灰铸铁铸造箱体，牌号为HT200。其数据如表6.1所示。 表6.1箱体的设计(主轴箱体的主要结构尺寸) 名称 尺寸(mm) 中心距 204 箱座壁厚 8 箱盖壁厚 8 箱座凸缘厚度 12 箱盖凸缘厚度 12 箱座底凸缘厚度 20 箱盖、箱座肋厚 6.8 窥视孔盖螺栓直径 8 轴承旁连接螺栓1直径 16 箱盖与箱座连接螺栓2直径 12 轴承端盖螺栓直径 8 29 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 第七章Solid Works三维实体设计装配 主轴材料为45钢, 后支承:圆锥孔双列圆柱滚子轴承(NN3016型)，前支承:两个推力球轴承(51120型)和一个圆锥孔双列圆柱滚子轴承(NN3020型)组配，装配时要注意圆锥孔双列圆柱滚子轴承的椎孔大端朝外。这样装配方法满足了前端受到较大的轴向力要求和径向力要求。轴承润滑为脂润滑，所以前端密封采用迷宫式，所以主轴前端装配时要和密封圈保留一定的间隙用来填充黄油。后端支承为圆柱滚子轴承，由于需要径向欲紧，故配合为过度配合，装配时用木锤敲打装配。后端也采用了迷宫式密封，因此密封圈和定位盘也要留一定的间隙。 [8]轴向欲紧采用螺母，其欲紧量查有关手册。注意欲紧螺母后还要有防松螺母。 [8] 首先根据设计画出所需的零件，然后查手册找到所需的标准件，最后对这些零件进行装配，生成三维装配图，如图7.1所示是设计的轴的三维零件图，图7.2所示是所用的双列圆柱滚子轴承，图7.3是推力球轴承，如图7.4 是三维装配图，如图7.5是装配图的X—Y截面剖视图，7.6是爆炸图,图7.7是主轴的工程图。 图7.1 轴的三维零件图 30 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 图7.2 双列圆柱滚子轴承 图7.3 推力球轴承 31 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 图7.4 三维装配图 图7.5 X-Y截面剖视图 32 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 图7.6 爆炸图 图7.7 主轴工程图 33 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 第八章 主轴部件的ANSYS应力分析 8(1主轴静力分析概述 静力分析用来计算结构在固定不变载荷作用下的响应，如反力、位移、应变、应力等，也就是探讨结构受到外力后变形、应力、应变的大小。所谓固定不变的载荷作用，指结构受到的外力大小、方向均不随时间变化。静力分析中固定不变的载荷和响应是一种假定，即假定载荷和结构的响应随时间的变化非常缓慢。一般来讲，静力分析所施加的载荷包括外部施加的作用力和压力、稳态的惯性力(如重力和离心力等)、位移载荷(如支座位移等)、温度载荷等。 ANSYS线性静力分析的基本步骤: 构建有限元模型:创建几何模型、设置单元类型、设定单元选项、定义单 元实常数、设置材料属性、划分网格。 施加载荷求解:定义分析类型(静力分析)、施加载荷和边界条件、求解。 后处理ANSYS提供两种后处理方式，POST1和POST26。前者用于整个模型在某一载荷步(时间点)的结果。后者处理模型中特定点在所有载荷步(整个瞬态过程) [10]的结果。结果均用彩色云图、矢量图和列表来显示。 8(2主轴ANSYS分析的一般过程 1(建立模型 建立ANSYS分析模型再进行静力分析时为了较好的反映实际工况，将把卡盘和工件一并考虑。主轴几何模型的构建，可以利用ANSYS提供的绘图功能进行绘制，也可以使用CAD软件所提供的强大绘图功能进行图形绘制。此设计主轴利用Solid Works绘制三维模型，利用ANSYS的接口把Solid Works绘制的三维模型导入到ANSYS中，首先要进行模型的简化，而后进行有限元分析。 2(定义单元类型 单元类型(Element Type)的定义用来决定用什么形状的微元来离散主轴。ANSYS12.1包括杆、梁、板、壳、实体等200种单元可供选择。主轴分析选用的是Solid92实体单元。 34 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 3(定义实常数 用实常数(real constants)来定义分析模型的截面特性。对于有些单元必须输入实常数，而对于有些单元则不需要输入实常数，Solid92实体单元就不需要输入实常数。 4(定义材料特性 11 主轴材料为45钢，弹性模量E为2.06×10pa泊松比为0.34，密度为7800kg 3,m。 5(网格的划分 结构几何模型建立后，在将它分成小网格以供后续计算。网格分得越细，计算结果的误差越小，但所需要的计算时间也就越长。单元的划分很方便，只须在相关的线或面上定义出单元的长度或要划分的比例，ANSYS会自动形成单元及节点，也可以用自适应网格划分自动生成网格，这里选择映射网格。 6(加载求解 加载求解一般分为三个部分，即施加约束条件、施加载荷以及求解计算。分析主轴时，分成两个载荷步进行求解，一个是力载荷步，另一个是转矩载荷步。 8.3主轴的受力分析 所设计的主轴主要承受切削力，齿轮的作用力以及轴承所给的力。 1(在俯视图中，主轴的受力分析如图8.1。 Ft L1 L2 L3 L4 F2x图8.1 主轴的俯视图受力分析 F1x 图中:Ft为直齿轮作用的切向力，F1x为后轴颈出轴承的支承反力的水平分量， F2x为前轴颈出轴承的支承反力的水平分量，L1=30mm, L2=70mm, L3=500mm, L4=600mm。 作用在轴上的转矩: 35 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 9550，PM,nn (8-1) 其中，P为该轴的额定功率，单位:Kw。 n为转速,单位:r/ min。为转Mn Nm.矩，单位:。将P=4.5Kw，n=1450r/min代入上式，得到 ，95504.5 (8-2) MNm,,29.6.n1450 对直齿轮受力分析得到:齿轮作用在轴上的切向力为: 2MnF,,d (8-3) Nm.其中为齿轮作用在轴上的切向力，单位N。为转矩，单位:。d为Mn 节圆直径，单位m。将，d代入上式，得到由主轴水平方MNm,29.6.FN,246.7n, 向力和力矩平衡分析得到: FFF，,12xx, (8-4) FLFLFL，,，，，,11223xx (8-5)将，, ,代入解得 FN,246.7Lmm,30Lmm,70Lmm,500,132 FN,223.71x FN,232x 2(在主视图中主轴的受力分析如图8.2。 图8.2 主轴的主视图受力分析 图中:Fr为直齿轮作用的径向力， F为切削力， F1y为后轴颈出轴承的支承力的竖直分量， F2y为前轴颈出轴承支承力的竖直分量，Md为齿轮的扭矩，由于采用直齿齿轮，而且径向力很小可以忽略，所有主轴只受切向力。L1=30mm, L2=70mm, L3=500mm, L4=600mm。 对直齿轮受力分析得到,直齿轮作用的径向力 36 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 F=Ftan(),,，,, (8-6) 其中，为齿轮作用在轴上的径向力，为齿轮作用在轴上的切向力,单位FFr, N，为压力角，为摩擦角，一般情况下，取，即，。 ,FFN,,0.5123.4,tan()0.5,,，,r,由主轴竖直方向力和力矩平衡分析得到: FFFF，,，12yyr (8-7) FLFLFLFL，，，,，，，ryy141223 (8-8)将，代入解得 FNFN,,850,123.4LmmLmmLmmLmm,,,,30,70,500,600r1234 FN,,627.951y FN,1601.352y 3(此外在Fr和F之间，主轴受到一个向纸面外转动的扭矩，大小是。 8.4 主轴ANSYS分析的具体过程 8.4.1 ANSYS分析的前处理 要对主轴进行有限元分析，首先就要ANSYS中建立主轴模型，而后进行其他操作具体流程为图8.3所示。 进行有限元分划分单元网导入SW中的定义材料 施加约束格析连杆机构属性等信息 图8.3 ANSYS分析的一般流程 1(导入主轴模型:将SOLIDWORKS中的主轴提取出来，通过ANSYS和SOLIDWORKS的数据接口直接将连接杆的模型导入到ANSYS中，为准确计算结果还需将主轴的倒角去掉，同时将铰孔填充，目的是避免应力集中，同时得到的结果更加准确，如图8.4所示。 37 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 图8.4 导入ANSYS后的主轴模型 2(确定分析类型:确定分析类型为结构力学分析，在前处理器Preference for GUI Filtering中选择Structure，Discipline Option中选择h-method。 图8.5 分析类型的选择模型 53(定义材料属性为:弹性模量E=2.06×10MPa，泊松比μ=0.34，密度为ρ=7.80 -63×10Kg/mm。 4(单元类型的选择:连接杆选择SOLID 20node 95单元。 5(网格划分:为提高网格划分的质量，对单元的大小以及网格规则进行了严格的控制，本文中选择映射网格进行划分。划分完网格后的连接杆的模型如图8.6所示，模型共有单元数目44540个。关于有限元网格的划分的过程这里不再赘述， [11]可以ANSYS参考相关书籍或者仿照ANSYS HELP中的例子来进行。 38 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 图8.6 主轴有限元网格 6(施加约束:Preprocessor?Loads?Define Loads?Apply ?Structural?Displacement?On Nodes通过这个过程可以选择所要施加的位置，在图8.7所示主轴左端施加X方向的位移约束限制X方向的移动,在主轴与轴承配合处施加Y、Z两个方向的位移约束来限制Y、Z方向的移动。施加完整的约束模型见图8.7。 图8.7 施加完整约束模型 7(施加载荷:Preprocessor?Loads?Define Loads?Apply ?Structural?Force?On Nodes通过这个过程可以选择所要施加的位置，在主轴靠近左端轴承处节点上施加Y、Z方向的力，在主轴右端端面外圆面上施加转矩载荷，施加完相应的载荷约束见图8.8。 39 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 图8.8 施加完整外载荷模型 8.4.2 ANSYS分析的后处理 为了查看ansys分析后的结果，本文进行如下操作:Preprocessor ?General Postproc?Plot Results?Contour Plot?Nodal Solu就进入了选择界面如图8.9，这里选择Von Mises Stress就可以得出本文所需要的应力云图，同时还可以查看各个节点处的应力值。 40 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 8.9 应力云图对话框设置 在ansys仿真结束后测得的，施加完载荷和约束的应力云图为8.10。 图8.10 主轴应力云图 通过选择对话框8.11就可以完成应变云图对话框的设置: 41 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 8.11 应变云图对话框设置 在ansys仿真结束后测得的，施加完载荷和约束的应变云图为8.12。 图8.12 主轴应变云图 通过上述分析，可以测得相应的应变云图、应力云图，从图中读取各个应力节点处的具体值，和前面的计算结果做比较，所得出的结果和计算的结果一致，故此处的有限元分析是正确的。其结果如图8.13和图8.14。 42 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 X方向位移图 X方向应力图 Y方向位移图 Y方向应力图 Z方向位移图 Z方向应力图 图8.13 x,y,z位移及应力图 43 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 三向合位移 三向合应力 图8.14 x,y,z三个方向的合位移及应力图 这里的有限元分析同时说明了主轴的各个部位的受力情况，为后续的结构改进以及主轴的设计提供了参考价值。 44 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 第九章 展望与结论 在研究了数控车床的结构及加工特点的前提下，分析了车床的制造和装配的精度基础，提出了数控车床的整体结构装配特点和标准，设计了主轴结构及前后支承的结构解决了回转精度、抗振性、及热变形等问题，达到了设计前要求的加工精度目的。并且对所设计的主轴组件进行了三维实体建模，得到了三维装配图，使所设计的数控车床主轴及其零部件更加立体化，明了化，也缩短了设计的周期。最后对主轴进行了ANSYS应力分析，验证了轴的设计满足要求，而且结果以图片形式表达，具有易懂性，明了性。同时也简化了不少验算的过程，同样地缩短了设计所需的周期，而且结果保证了准确性。 以目前发展态势来看，数控加工设备还在不断的发展，向精度更高，性能更优越，更易于操作等方向发展。而对设计要求当然也会更高，如何善于利用各类设计辅助软件简化设计流程，减少设计周期将对整个设计行业有着至关重要的作用。本论文采用SOLIDWORKS进行三维建模，工程图的绘制，爆炸图动画的制作。并运用有限元分析软件ANSYS对主轴进行应力分析，有效得缩短的设计周期。 45 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 致谢语 首先，感谢厦门大学嘉庚学院为我提供了一个优质的学习环境和学习氛围。本论文的工作是在我的导师姚斌教授的悉心指导下完成的，姚斌教授的严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢姚斌教授对我的关心和指导。当然，也要感谢大学期间授予我专业知识的老师们，管理我日常生活的辅导员和教学秘书。在你们的帮助和关爱下，我顺利完成了此毕业论文，再次衷心感谢你们。 其次，感谢陪伴我大学期间的所有同学们，朋友们。在我失落消极时你们给予我鼓励，在我快乐得意时你们与我同乐，并会告诫我不要自满。因为有你们的关心和提醒，以至于我一步一步走向成熟。谢谢你们。 另外也要感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。爸爸妈妈为了我的学业辛勤地劳动，在经济上支持我;他们费尽心思隐瞒一些不好的消息，就是为了给我酿造一个安静的学习环境，让我专心完成学业。在此，衷心地感谢你们。 46 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 [参考文献] [1] 林宋.现代数控机床[M].北京:化学工业出版社，2005。 [2] 吴晖.Q3808A无心车床的主轴系统及传动系统的动力学特性研究[D].兰州:兰州理工大学，2006。 [3] 胡爱玲.高速主轴动静态特性的有限元分析[D].广州:广东工业大学，2004。 [4] 倪晓宇.机床组件有限元分析和优化系统的研究与开发[D].南京:东南大学，2008。 [5] 杜君为.机械制造技术装备设计[M].天津:天津大学出版社，2002。 [6] 陈心昭.现代实用机床设计手册[M].北京:机械工业出版社，2006。 [7] 李洪.使用机床设计手册[M].沈阳:辽宁科学技术出版社，1997。 [8] 成大先.机械设计手册[M].北京:化学工业出版社，2001。 [9] 安高邦.实用机床设计手册[M].北京:机械工业出版社，2009。 [10] 王伟.有限单元法教程[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2001。 [11] 王庆五，左昉，胡仁喜，等.ANSTS10.0机械设计高级应用实例(第二版)[M].北京:机械工业出版社，2007。 47 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 附录1 三维装配图 48 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 附录2 X-Y截面剖切图 49 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 序号 名称 规格型号 单位 数量 备注 一 制冷系统 1 压缩机组 4AV10 台 4 2 冷凝器 LN-70 台 1 3 贮氨器 ZA-1.5 台 1 4 桶泵组合 ZWB-1.5 台 1 5 氨液分离器 AF-65 台 1 6 集油器 JY-219 台 1 7 空气分离器 KF-32 台 1 8 紧急泄氨器 JX-108 台 1 9 冷风机 KLL-250 台 8 10 冷风机 KLD-150 台 4 11 冷风机 KLD-100 台 2 12 阀门 套 86 13 电磁阀 套 6 14 管道及支架 吨 18.6 3 15 管道及设备保温 m22 16 管道保温包扎 镀锌板 吨 1.6 17 附件 套 1 二 气调系统 1 中空纤维制氮机 CA-30B 台 1 2 二氧化碳洗涤器 GA-15 台 1 3 气动电磁阀 D100 台 14 4 电脑控制系统 CNJK-406 台 1 5 信号转换器 8线 台 1 6 果心温度探头 台 7 37 库气平衡袋 5 m 个 7 8 库气安全阀 液封式 个 7 9 小活塞空压机 0.05/7 台 1 10 PVC管 套 1 11 附件 套 1 三 水冷系统 1 冷却塔 DBNL-100 台 2 3 2 水泵 SBL80-160I 台 2 3 水泵 SBL50-160I 台 2 4 阀门 套 30 5 管道及支架 吨 2.8 6 附件 套 1 四 电仪控系统 1 电器控制柜 套 1 2 照明系统 套 1 3 电线电缆 套 1 4 桥架管线 套 1 5 附件 套 1 50 数控车床主轴关键零部件的设计与应力分析 49