插齿刀数控磨床虚拟装配及加工动态特性分析毕业设计说明书.doc

编号 本科生毕业设计插齿刀数控磨床虚拟装配及加工动态特性分析The Virtual Assemblies and Machining Dynamic Analysis of CNC Grinding Machine for Gear Shaper Cutter学 生 姓 名专 业机械设计制造及其自动化学 号指 导 教 师学 院二一一年六月 摘要插齿刀作为齿轮加工的重要刀具，已经广泛应用工业加工中，随着机械行业的不断发展，对传动的要求更加的严格与精确，在传动中扮演着重要角色的齿轮成为改进的关键，所以对于插齿刀的研究也越来越多。本文从研究插齿刀加工制造方面出发，针对凸曲前刀面硬质合金插齿刀的形状特点，设计了加工插齿刀凸曲前刀面的数控磨床，完成了数控磨床的建模及模态分析。对于插齿刀数控磨床的研究旨在提高凸曲前刀面硬质合金插齿刀的加工精度与加工效率，完成对于凸曲前刀面的加工，为凸曲前刀面硬质合金插齿刀的工业应用提供参考。关键词： 数控磨床 模态分析 力学分析 ABSTRACTCarbide gear shaper cutter as a main tool of cutting gear is widely used in mechanical industry. As the development of mechanical industry, it needs more exact and strict mechanical transmissions. So improving the gear which is playing an important role is the key . Depending the fact, more people pay attention to gear shaper cutter.Depending the carbide gear shaper cutter with convex rake face, we design the NC grinder, finish the CATIA solid model and analyse the NC grinder in finite element analysis software of ANSYS. Studying NC grinder aims to improve Machining precision and Machining efficiency in manufacturing the carbide gear shaper cutter with convex rake face and provide reference for using it in mechanical industry. Keywords：NC grinder；Model analysis；Mechanics analysis 目录摘要IABSTRACTII第1章 绪论11.1 数控磨床的发展现状11.2 插齿刀在工业中的应用及研究2第2章 插齿刀数控磨床52.1 插齿刀数控磨床研究的意义52.2 机床设计原则72.2.1 机床设计的基本要求和主要评定指标72.2.2 机床的方案设计92.3 导轨设计92.4砂轮轴的设计122.5支撑件的设计142.5.1 支撑件的功能142.5.2 支撑件的结构设计142.6 进给传动系设计152.7 小结15第3章 插齿刀数控磨床的模态分析173.1 数控磨床的建模173.1.1对数控磨床进行建模173.2 模态分析183.2.1 导入模型，接触对的检查，网格划分193.2.2 对模型进行边界的约束193.2.3 求解结果203.2.4 小结23第4章 砂轮轴受力分析244.1砂轮轴的受力分析及功率计算244.1.1 磨削类型的划分244.1.2 磨削力的计算254.2 砂轮轴受力变形分析29结 论33参考文献34致 谢35第1章 绪论1.1 数控磨床的发展现状磨削加工是利用磨料去除材料的加工方法。用磨料去除材料的加工是人类最早使用的生活技艺方法。远在石器时代，已开始使用磨料研磨加工各种贝壳、石头及兽骨等，用于生活和狩猎工具。青铜器出现以后，用磨料的加工技术得到了进一步的发展，用来制造兵器及生产工具，用磨料研磨铜镜已达到镜面的要求。铁器的出现，更使磨料加工成为一种普遍的工艺技巧得到应用。18世纪中期出现第一台外圆磨床，用石英石、石榴石等天然磨料敲凿成磨具，进而用天然磨料和粘土烧结成砂轮，随后又研制成功平面磨床，应用磨削技术逐渐形成。1901年以后，相继发明人工熔炼的氧化铝（刚玉）、碳化硅磨料。20世纪40年代末期，人造金刚石问世。1957年研制成功立方氮化硼。超硬磨料人造金刚石砂轮与立方氮化硼砂轮的应用及磨削技术的发展，使磨削加工精度及加工效率不断提高，磨削加工应用范围日益扩大。解放前，我国磨床工业及磨料工业几乎是一片空白。上海亚中机器厂（今上海第三机床厂）于1944年制造出我国第一台外圆磨床。解放后，我国相继建立了现代化的磨床、磨料、磨具制造厂及专业研究所，造就了一大批从事磨床设计生产、磨料磨具研究、制造的专业科学技术队伍。1955年以前，试制并生产了黑、绿色碳化硅和白、棕色的刚玉，陆续开发了各种磨具。1963年成功地合成出我国第一颗人造金刚石，1966年投入批量生产。接着，1967年成功研制立方氮化硼，1974年投入批量生产。20实际80年代高品位级的人造金刚石、优质立方氮化硼相继问世。与此同时，我国磨床工业经历了50年代初的测绘、仿制阶段，50年代末期开始自行设计。改革开放推动了磨床工业的巨大发展。现在我国已能设计制造高精度、高效率、机电一体化的磨床，形成品种比较齐全的磨床产品，装备了国民经济各部门的制造业，并出口60多个国家和地区。当今高速高效磨削、超高速磨削在欧洲、美国和日本等一些发达国家发展很快，如德国的Aachen大学、Bremm大学、美国的Connecticut大学等，有的在实验室完成了Vs为250m/s、 350m/s、400m/s的实验。据报道，德国Aachen大学正在进行目标为500m/s的磨削实验研究。在实用磨削方面，日本已有磨床在工业中应用。我国对高速磨削及磨具的研究已有多年的历史，在70年代末期便进行了80m/s 、120m/s的磨削工艺实验；前几年，也计划开展250m/s的磨削实验（但至今尚未见到这方面的报道），所以说有些高速磨削技术还只是实验而已，尚未走出实验室，技术还远没有成熟，特别是超高速磨削的研究还开展的很少。在实际应用中，砂轮线速度一般还是4560m/s。随着磨削技术的发展，磨床在加工机床中也占有相当大的比例。据1997年欧洲机床展览会的调查数据表明，25%的企业认为磨削时他们应用的最主要的加工技术。磨床在企业中占机床的比例高达42%，车床占23%，铣床占22%，钻床占14%。我国19491998年，开发生产的通用磨床有1800多种，专用磨床有几百种，磨床的拥有量占金属切削机床总拥有量得13%左右。可见，磨削技术及磨床在机械制造业中占有极其重要的位置。磨床的产品品种众多。磨床的主要类型有外圆磨床、内圆磨床、平面及端面磨床、坐标磨床、工具磨床、刀具刃磨磨床、导轨磨床、专门化磨床（如曲轴磨床、凸轮轴磨床、轧辊磨床等）、砂带磨床、珩磨机、研磨机、抛光机、超精加工机、超精研抛机各种轴承磨床及专用磨床。随着计算机技术的不断发展，各类磨床向着CNC磨床及磨削加工中心发展。以砂轮为工具的磨削方式的磨床，有以下基本优点：（1）主运动为砂轮主轴的旋转。砂轮的线速度Vs一般为3060m/s,CBN砂轮可高达150200m/s，最高主轴转速达15000r/min。主轴单元是磨床的关键部件。对于高速高精度主轴单元系统应具备刚性好、回转精度高、温升小、稳定性好、功耗低、寿命长、成本适中的特性。砂轮主轴单元的轴承常采用高精度滚动轴承、液体静压轴承、液体动压轴承、动静压轴承。近年来高速和超高速磨床越来越多采用电主轴单元部件。（2）为适应精密及超精密磨削要求，采用低速无爬行的高精密高速进给单元。进给单元包括伺服驱动部件、滚动部件、位置监测单元等。进给单元是保持砂轮正常工作的必要条件，是评价磨床性能的重要指标之一。要求进给单元的运转灵活、分辨率高、定位精度高、刚性高，动态响应快，既要有较大的加速度，又要有足够大的驱动力。进给单元常用的方案为旋转电动机与滚动丝杠组合的进给方案与直线伺服电机直接驱动方案。（3）磨床具有高的静刚度、动刚度及热刚度。砂轮架、头架、尾架、工作台、床身、立柱等是磨床的基础构件，其设计制造技术是保证磨床质量的根本。（4）磨床需要有完善辅助单元。辅助单元包括工件快速装夹、高效磨削液供给系统、安全防护装置、主轴及砂轮动平衡、切削处理、吸尘及吸雾清洁装置。1.2 插齿刀在工业中的应用及研究插齿刀作为加工高精度硬齿面齿轮的一种切齿方法，目前已经得到广泛的应用，如图1-1所示，与传统的磨齿、滚齿、剃齿、珩齿等硬齿面齿轮加工方法相比，在加工内齿轮、双联齿轮及带台肩的齿轮等具有特殊结构的齿轮方面，插齿刀几乎是唯一可用的加工方法。插齿刀按外形分为盘形、碗形、筒形和锥柄4种。盘形插齿刀主要用于加工内、外啮合的直齿、斜齿和人字齿轮。碗形插齿刀主要加工带台肩的和多联的内、外啮合的直齿轮，它与盘形插齿刀的区别在于工作时夹紧用的螺母可容纳在插齿刀的刀体内，因而不妨碍加工。筒形插齿刀用于加工内齿轮和模数小的外齿轮，靠内孔的螺纹旋紧在插齿机的主轴上。锥柄插齿刀主要用于加工内啮合的直齿和斜齿齿轮。图1-1 插齿刀插齿加工相当于一对圆柱齿轮啮合传动过程，其中一个是工件，另一个是端面磨有前角，齿顶及齿侧均磨有后角的插齿刀。加工时刀具沿工件轴向作直线往复运动以完成主运动，如图1-2所示。插齿加工时的运动主要有：（1）切削运动：插齿刀的上、下往复运动。（2）分齿展成运动：插齿刀与工件之间应保持正确的啮合关系。插齿刀往复一次，工件相对刀具在分度圆上转过的弧长为加工时的圆周进给量，故刀具与工件的啮合过程也就是圆周进给过程。（3）径向进给运动：插齿时，为逐步切至全齿深，插齿刀应有径向进给量f。图1-2 插齿加工随着CNC技术和插齿技术在生产中的大量应用，特别是硬齿面齿轮的应用，对插齿刀提出了更高的要求，在国内外的研究中，主要从三方面对其进行改进，第一：改变插齿刀现有设计误差的传统设计方案，但由于目前我国设备落后，该新型插齿刀的工业实现较困难，对小批量生产更是不经济，因而目前难以推广应用；第二：改进插齿刀切削部分的结构形状。主要是改变前刀面形状即前刀面不再是单纯的圆锥面而是特别的形状。如双圆锥形前刀面的插齿刀，特形曲线外形(凸或凹)前刀面的插齿刀，变前刀面和后刀面的插齿刀，成形前刀面的插齿刀等。这些插齿刀提高了主切削刃齿形的精度并增强了刀具的耐用度，是属于有发展前途的新型插齿刀；第三：对现有插齿刀的某些齿形参数加以修正，以减少设计误差并尽可能改善刀具的切削性能。近年来在生产实践中获得的这方面的成果多种多样:有重新修正齿角的，有对齿形角进行二次修正的，有把顶刃后角增为9°并精化造形误差的，还有一些综合各种参数运用优化技术极小化造形误差的。如此多的齿形修正方法，本质上只是对影响齿形精度或刀具耐用度的压力角、基圆半径、后角、变位系数、齿厚等的修正，在综合提高插齿刀的齿形精度和切削性能方面，还显得不够完善，因而在生产应用中至今未能得到统一。 第2章 插齿刀数控磨床2.1 插齿刀数控磨床研究的意义插齿是靠切削运动和展成运动渐次形成齿面的，普通插齿刀的前刀面一般磨成内凹的圆锥面，为了使刀刃重磨手刀刃形状不变，一般将顶后刀面做成圆锥面，两个侧刃后刀面分别做成旋向相反的渐开线螺旋面。普通插齿刀只能加工用于加工中硬度齿面，而对于经过粗加工并经过热处理而获得硬度在HRC45以上的硬齿面，特别是对于那些齿面淬火后的具有特殊结构的插齿面，使用硬质合金插齿刀则可以解决淬硬齿轮的精加工问题。与其它加工方法相比，使用硬质合金插齿刀加工硬齿面齿轮具有下列优点：（1）对于直齿外齿轮、内齿轮、双联（三联）或带台肩的具有特殊结构的硬齿面齿轮都能方便地进行加工。（2）在加工一般精度的齿轮时，与传统的磨齿工艺相比,其加工设备简单、操作方便、效率高、成本低；与传统的滚齿工艺相比,，其工艺过程简、单操作容易、加工成本较低。常用的硬质合金插齿刀的顶后刀面和两个侧刃后刀面与普插齿刀相同主要不同是它的前刀面为外凸的正圆锥面, 使刀具的顶刃侧刃形成径向负前角。这样做意在提高硬质合金切削部分的抗冲击性能提高顶刃侧刃的抗崩刃能力延长硬齿面插齿刀的使用寿命。但是不能把插齿刀负前角的绝对值取得很大。因为增大插齿刀的前角后,将增大插齿刀的齿形误差, 也就会增大被加工齿轮的齿形误差, 难以加工出高精度的齿轮。现有的锥形前刀面硬质合金插齿刀, 由于在构形理论与方法上基本与传统插齿刀相同, 因此存在两方面的不足：（1）径向负前角的绝对值太小, 一般只能取到-5°。不仅有碍于硬质合金材料刀具固有性能的充分发挥, 还因微崩刃等原因而使刀具寿命缩短。（2）硬齿面插齿刀的构形精度太低, 即使，=-5°，由于前角的存在而引起的齿形误差比AA级标准的插齿刀所允许的误差大得多, 不能保证加工出高精度的硬齿面。 图2-1 硬质面插齿刀针对上述问题, 本文分析的硬质合金插齿刀的前刀面采用凸曲面的形状,即用凸曲的前刀面取代原有的圆锥形表面, 左、右侧后刀面仍为渐开螺旋面, 这样插齿刀的左右侧刃是由凸曲的前刀面与渐开螺旋面的左右侧后刀面相交形成的； 插齿刀的顶刃后刀面仍然采用的是圆锥面, 构成的顶刃后角选用6°, 这样顶刃就是由凸曲的前刀面与顶刃后刀面（圆锥面）相交而形成。图2-1为加工形成的刀具前刀面形状，从图中我们可以明显看出凸曲前刀面插齿刀与锥基波面插齿刀在齿形方面的不同。硬质合金插齿刀的左、右侧后刀面为渐开线螺旋面，顶后刀面是圆锥面，这两个面容易加工。但是前刀面采用了凸曲面，它的加工是这种插齿刀制造的关键，对于硬质合金插齿刀的前刀面，首先将其加工成锥形面，在此基础上再加工出凸曲面，图2-2为凸曲前刀面的加工。图2-2 加工现场如图2-2所示，小砂轮在电主轴的带动下高速旋转，沿插齿刀的轴向方向来回运动，插齿刀自身绕着轴旋转，但速度特别慢。就这样，在砂轮轴的往复运动和插齿刀轴的相互拟合下，加工出凸曲前刀面，凸曲面展开后砂轮轨迹特征点拟合轨迹如图2-3所示，凸曲前刀面插齿刀模型如图2-4所示。图2-3 凸曲面拟合图图2-4 凸曲前刀面插齿刀2.2 机床设计原则2.2.1 机床设计的基本要求和主要评定指标（一）机床的加工工艺范围机床的工艺范围主要指机床的工艺可能性，即机床适应不同生产要求实现过程的能力。在设计机床时，决定机床工艺范围的主要依据是该机床的类型和用途，取决于加工对象、生产批量和生产要求等因素。不同类型的机床，设计时考虑其工艺范围的侧重点不同。通用机床主要考虑万能性和扩大工艺范围；专门化机床主要考虑对特定加工的适应性；专用机床工艺范围单一，主要考虑适应大批大量生产要求，侧重经济性；组合机床主要考虑多工序集中或分散程度和高效率；数控机床主要考虑实现柔性自动化加工，兼有高效率、高精度、高柔性的特点。工艺范围主要从下列四方面分析：（1） 机床可完成的工序种类（加工工艺方法）；（2） 加工零件的类型和尺寸范围；（3） 切削用量的可能范围；（4） 能加工的工件材料和毛坯种类。我们所设计的机床属于针对插齿刀的数控磨床，其功能主要是加工插齿刀凸曲前刀面，所以应该属于专用机床范围。专用机床是专为加工某种零件的一个或几个固定工序服务的，通常多用于加工成批、大批、大量生产。专用机床的特点：（1） 加工对象专一，加工工序特定，工艺范围单一。（2） 自动化程度和生产率较高。（3） 可根据特定的加工条件和工艺分析，直接确定机床的运动参数和动力参数，主传动系统比通用机床简单得多。（4） 在选择切削用量时，刀具寿命往往会成为限制因素，所以必须进行刀具寿命核算。通常应保证换刀间隔时间不低于8小时，或者不低于4小时，但此时应作方案比较和成本计算，按经济分析结果做出选择。（5） 在大批大量生产中，专用机床应力求便于自动上下料及纳入自动线。（二）数控机床的特点数控机床与非数控的普通机床在加工方法和完成工序内容等工艺上有许多相似之处，不同点主要表现在控制方式上。数控加工要把在普通机床加工时由操作者考虑和决定的操作内容，按规定的数码形式编写程序并存储在存储器上。加工时存储器上的数码信息输入控制系统，机床按所编程序进行运动，自动加工出要求的零件。因此，数控机床加工有两个本质上的特点：（1） 数控加工的关键在编程：本来由操作者在加工中灵活掌握并可通过适时调整来处理的许多工艺问题，在数控加工时就变为编程设计和安排的内容。数控机床自动化程度虽高，但目前受自适应调整技术水平的限制，要求工艺内容相当严密地体现在编程中。（2） 数控机床加工范围适应性：数控机床最适宜占机械加工总量70%80%的多品种小批量或中批量生产中比较复杂的零件。其优点是：自动化程度高，加工的零件一致性好、质量稳定，综合生产率较高，节省复杂的工装、便于产品研制，便于实现计算机辅助制造。与普通机床相比也存在着价格高，单件加工成本较高，维修难度较大等问题。因此，国内发展了一些自动化程度较低的经济型数控机床用于形状较简单和精度要求较低的零件加工。（三） 机床的静态精度（1） 几何精度 几何精度是指机床在未受外载荷、静止或运动速度很低时的原始精度，它包括各主要零件部件间相互位置与相对运动轨迹的精度和主要零件的形位精度，如工作台面的平行度、主轴的轴向窜动和径向圆跳动、工作台移动的直线度等。几何精度主要取决于机床零部件的加工和装配质量。（2） 运动精度 运动精度是指机床在以工作速度运动时主要工作部件的几何位置精度，包括 主轴的回转精度、直线移动部件的位移精度及低速运动时速度的不均匀性等。（3） 传动精度 传动精度是指机床内联系传动链两端件之间的相对运动的准确性。对于两端件为“回转-回转”式传动链，需要规定传动角位移误差；对于两端件为“回转-直线”式传动链，需要规定传动线位移误差。传动精度主要取决于传动链各元件特别是末端件的加工和装配精度以及传动链设计的合理性。（4） 位置精度 位置精度是指机床有关部件在所有坐标中定位的准确性，实际位置与要求目标位置的偏差称为位置误差。位置精度的评定项目包括定位精度。数控机床的位置精度决定了工件的加工精度。（5）精度保持性 机床精度保持性是指机床在生命周期内保持其原始精度为合格精度的能力。该项指标由机床某些关键零件的首次大修期决定。为了提高这些零件的耐磨性，必须注意选材、热处理、润滑与防护等。对于高精度机床，精度保持性是一项重要的评价指标。机床的寿命就是保持其应具有加工精度的时间。 2.2.2 机床的方案设计 机床的方案设计是机床总体设计中的重要部分，主要包括以下内容：（1）机床工艺方案的设计，即要决定机床的加工工艺方法、工件在机床上的加工工艺过程，确定合理的切削用量，研究工件在机床上的装夹方法等。（2）机床的运动和传动方案设计，研究机床表面成形运动的分配方案，决定机床的总体布局结构及各部件结构之间的联系方式，在此基础上决定机床的传动形式。（3）决定机床的承载结构形式，设计机床的总体部件。（4）设计机床的操作与控制方案等。机床的方案必须满足用户提出的各种要求，如机床的加工范围、工件加工精度、生产率和经济性等；必须确保既定工艺方案所要求的工件和刀具之间的相对运动，在经济合理的条件下，尽量简化传动系统，以提高效率和传动精度最大限度地提高机床系列化和部件通用化的程度，确保机床具有与所要求的加工精度相适应的刚度、抗振性、热变形和噪声水平，必须考虑利用新技术。2.3 导轨设计 导轨的功能是承受载荷和导向。它承受安装在导轨上的运动部件及工件的质量和切削力，运动部件可以沿导轨运动。运动的导轨称为动导轨，不动的导轨称为静导轨或支撑导轨。动导轨相对于静止导轨可以做直线运动或回转运动。导轨按结构形式可以分为开式导轨和闭式导轨。开始导轨是指在部件自重和载荷的作用下，运动导轨和支撑导轨的工作面始终保持接触、贴合。其特点是结构简单，但不能承受较大的颠覆力矩。闭式导轨借助于压板使导轨能承受较大的颠覆力矩作用。如车床床身和床鞍导轨。当颠覆力矩M作用在导轨上时，仅靠自重已不能使主导轨面始终接触，需要压板形成辅助导轨面，保证支撑导轨与动导轨的工作面始终保持可靠的接触。导轨的常用材料有铸铁、钢、有色金属、塑料等，随着高效自动化、数控技术、高精度精密机床的发展，促使机床导轨材料的构成比发生了显著的变化。总趋势可概括为：与采用铸铁合金化导轨相比，采用表面热处理强化的导轨有增多的趋势，其中镶钢导轨的增加尤为明显；与滑动导轨相比，滚动导轨所占比例增加，与金属导轨相比，塑料导轨的增加特别明显。(1)铸铁导轨有良好的抗振性、工艺性和耐磨性，因此应用最广泛。灰铸铁、孕育铸铁常进行表面淬火来提高硬度，如高频淬火、电接触淬火硬度为5055HRC，耐磨性提高12倍，常用在车床、铣床、磨床上。为提高导轨的力学性能和耐磨性，在铸铁中加入不同合金元素，生成高磷铸铁、磷铜钛铸铁、钒钛铸铁等，他们具有良好的力学性能和耐磨性，多用在精密机床，如坐标镗床和螺纹磨床上。(2)镶钢导轨为提高导轨的耐磨性，采用淬火钢和氮化钢的镶钢支承导轨，抗磨损能力比灰铸铁导轨提高510倍。(3)塑料导轨具有摩擦因素低、耐磨性高、抗撕伤能力强、低速不易爬行、运动平稳、工艺简单、化学性能好、成本低等特点。在各类机床都有应用，特别是在精密、数控、大型、重型机床的动导轨上。按导向轨迹，滑动导轨可分为直线滑动导轨和圆周运动滑动导轨。直线导轨的截面形状（如图2-5）：直线导轨的基本截面形状有三角形、矩形、燕尾形及圆形截面四种。他们的导向和支承作用，主要通过M 、N、 J3个平面和1个顶角来实现。 三角形导轨 矩形导轨 圆形导轨 燕尾槽形导轨图2-5 导轨截面图机床直线运动导轨通常由两条导轨组合合成，根据不同要求，机床导轨主要有如下形式的组合：（1） 双三角形导轨（图2-6）图2-6（2）双矩形导轨（图2-7）图2-7（3） 三角形平导轨组合（图2-8）图2-8（4） 三角形矩形组合（图2-9）图2-9（5） 平平三角形组合（图2-10）图2-10根据插齿刀数控磨床的需要，我们选择了三角形矩形组合，材料为铸铁淬火导轨。其长度为1591mm。其形状如图2-11，承受载荷的面为左端的三角形导轨和右边的矩形导轨，导轨主体铸造而成。图2-11 机床导轨导轨与主机床支撑之间用8个16的螺钉固定在一起，导轨左侧去掉长度为300mm长的三角形导轨面，用来固定安装减速器及主轴,导轨前面可以用螺钉固定丝杠电机和丝杠。导轨面采用刮磨获得，表面粗糙度达到0.4m，导轨直线度为0.01/1000mm。2.4砂轮轴的设计在磨削加工中，砂轮为磨削的主运动，砂轮轴的高速旋转将消耗很大的功率，而且砂轮轴的稳定性及其加工特性，将会决定其加工零件的精度及表面质量。因此，在数控磨床的砂轮轴选择中，我们选择了电主轴，电主轴作为高速切削里面的重要部件，由于其优良的性能已被广泛应用在机械加工中，选择的电主轴功率为45KW，其转速为800012000 r/min。砂轮是磨削中的刀具，对砂轮的选择也非常重要。决定砂轮磨削特性的主要有磨料的种类、磨料的粒度、磨具的硬度、结合剂、磨具的组织和磨具的形状和尺寸。针对于硬质合金插齿刀的凸曲前刀面的加工，我们选择了非标准形状的人造金刚石磨料，其粒度为180，浓度为10%，砂轮规格为21.58mm×10.5mm×7.5mm。砂轮轴如图2-12所示。图2-12 砂轮轴砂轮轴的夹紧方式如图2-13，砂轮主轴有一段是圆锥形的，砂轮的内孔也是圆锥的，这样设计是为了安装时固定砂轮的左端面，砂轮的右端面靠弹簧垫圈和双螺母固定，弹簧套装在带有外螺纹的套筒中，锁紧螺母固定砂轮主轴于弹簧套中。锁紧螺母和弹簧套、套筒的共同作用下，固定砂轮轴的左端面。图2-13 砂轮轴的结构图2.5支撑件的设计2.5.1 支撑件的功能机床的支撑件是指床身、立柱、横梁、底座等大件，相互固定连接成机床的基础和框架。机床上其它零部件可以固定在支撑上，或者工作时在支撑件的导轨上运动。因此，支撑件的主要功能是保证机床的各零部件之间的相互位置和相对运动精度，并保证机床有足够的静刚度、抗振性、热稳定性和耐用度。所以，支撑件的合理设计是机床设计的重要环节。支撑件应满足的基本要求：（1） 应具有足够的刚度和较高的刚度-质量比；（2） 应具有较好的动态特性，包括较大的位移阻抗和阻尼，整机的低阶频率较高，各阶频率不致引起结构共振，不会因薄壁振动而产生噪声；（3） 热稳定性好，热变形对机床加工精度的影响较小；（4） 排屑通畅、吊运安全，并具有良好的结构工艺性。2.5.2 支撑件的结构设计支撑件是机床的一部分，因此设计支撑件时，应首先考虑所属机床的类型、布局及常用支撑件的形状。在满足机床中作性能的前提下，综合考虑其工艺性。还要根据其使用要求，进行受力和变形分析，在根据受的力和其它要求（如排屑、吊运、安装其它零件等）进行结构设计，初步决定其形状和尺寸。然后，可以利用计算机进行有限元计算，求出其静态刚度和动态特性，再对设计进行修改和完善，选出最佳结构形式，既能保证支撑件具有良好的性能，又能尽量减轻重量，节约金属。根据实际的需要，我们选择了用灰铸铁来铸造底座，铸铁铸造性能好，容易获得复杂结构的支撑件，同时铸铁的内摩擦力大，阻尼系数大，使振动衰减的性能好，成本低。底座的形状如图2-14所示。图2-14 机床底座2.6 进给传动系设计进给传动系统一般由动力源、变速机构、换向机构、运动分配机构、过载保险机构、运动转换机构和执行件等组成。进给传动可以采用单独电动机作为动力源，便于缩短传动链，实现几个方向进给运动和机床自动化，也可以与主传动共用一个动力源，便于保证主传动和进给运动之间的严格传动关系，适用于有内联传动链的机床。进给传动系设计应满足如下的基本的要求：（1） 应具有足够的静刚度和动刚度；（2） 具有良好的快速响应性，做低速进给运动或微量进给时不爬行，运动平稳，灵敏度高；（3） 抗振性好，不会因摩擦自振而引起传动件的抖动或齿轮传动的冲击噪声；（4） 具有足够宽的调速范围，保证实现所要求的进给量，以适应不同的加工材料，使用不同刀具，满足不同的零件加工要求，能传动较大的转矩；（5） 进给系统的传动精度和定位精度要高；（6） 结构简单，加工和装配工艺性好。调整维修方便，操纵轻便灵活。在数控磨床所采用的进给系统中，我们采用以下方式：Z方向的进给有单独的伺服电机，电机与丝杠通过联轴器连接在一起，丝杠的左右两端固定在Z轴导轨上，丝杠与溜板箱之间通过滚珠丝杠螺母连接，如图2-15所示。图2-15 进给系统2.7 小结机床的主轴采用电机与变速箱相结合的方式，带动主轴旋转，整个系统采用了数控系统，机床主轴采用KND-1000T数控系统,具有主轴伺服控制功能。机床防护采用半防护，导轨采用另外的防护。机床的整体设计图如图2-16所示。图2-16 插齿刀数控磨床第3章 插齿刀数控磨床的模态分析3.1 数控磨床的建模本章主要介绍了插齿刀数控磨床的模态分析，利用CATIA建模，然后导入ANSYS当中，对其进行网格划分及材料属性的定义，边界和接触的处理，然后进行模态分析，求得其固有频率和前六阶振型。插齿刀数控磨床，是一种针对插齿刀锥基波形前刀面进行加工的专用设备，因为前刀面锥基波形的精度直接影响到插齿刀的使用寿命及其加工齿轮时的精度，所以，机床的自身的精度特别重要。振动现象是机械结构系统经常遇到的问题。几乎所有的结构系统都不希望有振动发生, 振动会造成结构疲劳和破坏。然而, 结构本身具有某种程度的刚性, 故其固有振动频率及模态是机械结构设计必须理解的特性之一, 进而避免激振频率和结构固有频率相同, 以防止共振现象，模态分析用于确定设计中的结构或部件的振动特性(固有频率和振型), 同时也是其它更详细的动力学分析的起点, 例如瞬态动力学分析、谐振响应分析、谱分析,故模态分析的方法及流程是非常重要的。固有频率作为一项重要的指标，在现代化的工业生产中已被越来越多的应用到，下面就针对插齿刀数控磨床进行模态分析。3.1.1对数控磨床进行建模利用CATIA软件，对数控磨床进行建模，在保证不影响计算结果的情况下，为减少运算时间和运算的复杂性，在建模过程中略去了某些次要的环节（如圆角，凸缘，销孔），由于机床的外罩对其影响不是很大，所以，我们省略了所有外罩，图3-1 机床图只保留了主体部分。数控机床的主体部分包括底座、导轨、减速箱、主轴、电机、滑块等（图3-1）。机床各个部件之间并不是固接在一起的, 而是通过某种方式连接在一起, 如床身与立底座之间通过螺栓连接; 床身与工作台、导轨与滑动箱、滑动箱与主轴箱之间均采用导轨连接。机床中各个结合面的接触刚度对整机的影响很大, 因此有限元模型中结合面接触刚度的处理直接影响最后的计算结果。3.2 模态分析在进行结构动力学分析的实际运用中,通常采取的方法是将连续系统离散化为只有有限个自由度的系统,由此求出连续系统的近似解。这些离散化的方法中有集中质量法、假设模态法、模态综合法和有限元法。集中质量法虽然做法简单,但如何选取各个集中点以及如何配置各点的质量,才能使所得结果比较接近于实际情况,这都需要经验或实验的启示,缺乏一般的理论指导。假设模态法和模态综合法的精度在很大程度上取决于所选择的结构或子结构的假设模态,对于复杂结构,这种假设模态难以找到,并且对于不同的结构没有通用性。而有限元法则是对每个单元取假设模态,由于单元的数目通常比较大,假设模态就可以取得非常简单;而且它以节点位移作为系统的广义坐标,可以降低系统微分方程的耦合程度,给用计算机求解带来方便,所以有限元法已成为分析复杂结构的有效方法和手段。本文就是采用有限元法,在商品化软件ANSYS平台上对插齿刀数控磨床进行了动态特性分析。由于机体结构极为复杂, 所以不可能用解析法求得其振动模态而只好借助于有限元方法。其求解的基本原理如下所述。有限元模型的自由振动方程可写为 M x+ Kx=0 (1) 式中:M为机体有限元模型的总体质量矩阵, 为一正定矩阵；K为机体有限元模型的总体刚度矩阵, 此处由于所有刚体自由度全被约束掉, 因此为一正定矩阵; 为机体振动的位移向量。于是插齿刀数控磨床的自由振动的各阶固有频率 ( i= 1, 2, 3, n。n 为机体有限元模型的自由度数) 可由以下特征方程求得: K-²M=0 (2)式中: 为机体自由振动的固有频率。当固有频率i为特征方程式(2)的重根时,把其代入如下方程, (K-²M)= 0 (3)可解得其对应的各振型。当X是方程(2)的单根时, 将其代入特征矩阵 B = K- ²M (4)中, 求出该特征矩阵的伴随矩阵 B =adj (K- ²M) (5)则该伴随矩阵的任一非零列向量即为固有频率所对应的振型。3.2.1 导入模型，接触对的检查，网格划分导入模型之后，要对接触对进行检验，接触对也直接影响到计算的准确性，所以要对接触对进行检查。网格划分对有限元分析非常重要，细密的网格划分可以使结果更精确，但会增加CPU的计算时间，需要更大的存储空间。修改接触对，着重在于修改那些本来应该有滑移，但自动生成为连接的，如果不修改会对结果产生一定的影响，对机床进行网格划分后得到的数据为，有238984个节点，119311个单元（图3-2）。 图3-2 经过网格划分之后的机床 3.2.2 对模型进行边界的约束影响几何体固有频率的条件主要有四类，弹性模量和泊松比，材料密度，几何体的形状以及几何体的外界约束条件，在ANSYS中导入几何体后，首先就要对几何体的材料属性进行定义，在此分析中，底座、导轨、滑块、减速箱采用灰铸铁，灰铸铁的弹性模量为1.0×e¹¹，泊松比为0.28，密度为7200m³，其他的部分主要采用系统默认的结构钢，结构钢的弹性模量为2.0×e¹¹，泊松比为0.3，密度为7850m³.对于机床而言，其底面的垫铁与地面相接触，所以在约束过程中，指定底面为固定面，主轴电机的端面也设置为固定。 3.2.3 求解结果对机床进行模态分析之后得到六阶振型，振型的大小只是一个相对的量值（位移相对值），它表征的是各点在某一阶固有频率上振动量值的相对比值，反映该固有频率上振动的传递情况，并不反映实际振动的数值，模态分析计算结果如表：表3-1 床身结构的前6阶固有频率和振型阶次固有频率振型1118.69砂轮轴出现较大的变形，整体前后振动2180.34主轴及减速箱出现较大振动3195.72整体出现左右振动，主轴变化明显4209.28滑板和导轨出现较大震动，丝杠振动明显5256.66底座局部振动6261.03主轴出现较大的振动从计算结果和振型图来看, 插齿刀数控磨床前6 阶固有频率的振动主要发生在砂轮轴和以主轴、导轨为一体的这几个大件上, 特别是在第六阶振型中，主轴出现了大幅度的振动，底座的振动相对较小，比较平稳。所以，主轴、砂轮轴、导轨是机床的薄弱环节，如果设计不当，及外界所给的激励不合适，机床将会出现大的振动，将严重影响机床的加工精度。丝杠的振动同时也不可忽略，丝杠是保证传动精度的主要部件，在第四阶振型中，丝杠出现了大的振动。了解了这些之后，我们在设计过程中就要对结构进行合理的设置，以达到实际生产中的要求。下图为机床六阶模态振型图：图3-3 机床第一阶模态振型图图3-4 机床第二阶模态振型图图3-5 机床第三阶模态振型图图3-6 机床第四阶模态振型图图3-7 机床第五阶模态