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数控车床主轴设计及Ansys分析厦门大学嘉庚学院本科毕业论文 本科毕业论文 数控机床关键零部件的设计与应力分析Design and Stress Analysis of CNC Machine Tool KeyComponents 作者： 导师： 2011年4月 目录 厦门大学嘉庚学院本科 毕业论文 数控机床关键零部件的设计与应力分析 Design and Stress Analysis of CNC Machine Tool KeyComponents 作者姓名： 导师姓名： 职 称： 学位类别：工学本科 学位级别：学士 系 别：机电工程系 专 业：机械设计制造及自动化 学 号：2011年4月 目录I 厦门大学学士学位论文中文摘要 . I ABSTRACT . II1 绪论 . 11.1 选题背景 . 11.2 本课题的目的和意义 . 11.3 国有限元方法的发展 . 21.3.2 数控机床的发展 . 41.3.3 国课题的研究方法 . 91.5 研究数控车床主轴结构设计 . 91.5.2 车床主轴组件的三维建模 . 101.5.3 主轴的ANSYS分析 . 101.6 设计前提 . 101.6.1 设计要求 . 101.6.2 设计参数 . 112 对主轴组件的要求 . 122.1 基本要求 . 122.2 特殊要求 . 12 II 目录 2.2.1 旋转精度 . 122.2.2 静刚度 . 132.2.3 抗振性 . 132.2.4 升温和热变形 . 142.2.5 耐磨性 . 142.2.6 材料和热处理 . 142.2.7 主轴的结构 . 153 主轴轴承的选择 . 163.1 轴承的选型 . 1632轴承精度 . 183.3 轴承间隙调整和欲紧 . 193.4本设计的轴承型号以及布局 . 204传动系统的设计 . 284.1电动机的选择 . 284.1.1 电动机容量的选择 . 294.1.2 电动机转速的选择 . 294.2传动系统的设计 . 284.2.1 选定齿轮类型,精度等级,材料及齿数 . 294.2.2 按照齿面接触强度设计 . 294.2.3 按照齿根弯曲强度设计 . 29III 厦门大学学士学位论文4.2.4 几何尺寸计算 . 294.2.5 验算 . 29 5主轴主要参数的计算及校核 . 2851主轴的结构设计 . 285.2 主轴的主要参数的计算 . 285.2.1 前轴颈直径D1 . 295.2.2 主轴内径d . 295.2.3 主轴悬伸量a确定： . 305.2.4 主轴支承跨距的确定 . 315.3主轴材料及热处理 . 345.4主轴设计方案 . 355.5轴的刚度计算 . 355.5.1轴的弯曲变形计算 . 365.5.2轴的扭转变形计算 . 376.主轴箱体 . 397Solid Works三维实体设计装配 . 408. 主轴部件的ANSYS应力分析 . 428.1主轴静力分析概述 . 428.2主轴ANSYS分析的一般过程 . 43 IV 目录 8.3主轴的受力分析： . 448.4 主轴ANSYS分析的具体过程 . 478.展望与结论 . 54致 谢 . 55参考文献 . 56 V 中文摘要中文摘要【摘要正文】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 I 厦门大学学士学位论文ABSTRACTThis paper introduces the finite element analysis of CNC machine tools and the development of dynamic and static characteristics of the domestic machine tool 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. II 1 绪论 1 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1 厦门大学学士学位论文的目的。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。1.3 国有限元方法的发展Hrennikoff于1942年，McHenry于1943年用线(一维)单元(杆和梁)网格求解连续体中的应力，从而在20世纪40年代开始了有限元的现代发展。Courant 1943年发表了一篇文章，提出设置变分形式的应力解，但很多年间没有得到广泛的承认。后来他在构成整个区域的三角形分区上引进分段插值函数或形函数，将此作为一种得到近似数值解的方法。Levy 1947年建立柔度法或力法，他在1953年的著作中提出另一种方法(刚度法或位移法)可能是有前途的一种，可用来分析静不定飞机结构。然而，他们的方程太难处理了，无法手工求解，因此只有随着高速数字计算机的发展，这种方法才变得普遍起来。Argyris和Kelsey 1954年利用能量原理建立了矩阵结构分析方法。此发展说明能量原理在有限元方法中起着重要作用。Turner等人1956年首次处理二维单元。他们推导了杆单元、梁单元、平面应力二维三角单元和矩形单元的刚度矩阵，并概括了通常叫做直接刚度法的过程，以得出总体刚度矩阵的步骤。随着20世纪50年代早期高速2 1 绪论 数字计算机的发展，Turner等人的工作促进了用矩阵符号表示的有限元刚度方程的进一步发展。Clough在1960年在用三角形单元和矩形单元进行平面应力分析时引进了“有限元”习惯用语。Melosh 1961年建立了平面矩形板弯曲单元刚度矩阵。随后Grafton和Strome1963年建立了轴对称壳和压力容器的曲面壳弯曲单元刚度矩阵。Martin于1961年，Gallagher等人于1962年，Melosh于1963年用建立四面体刚度矩阵的方法将有限元方法延伸到三维问题。Argyris 1964研究了其他的三维单元。Clough和Rashid，Wilson 1965年考虑了非轴对称固体的特例。20世纪60年代早期以前，大多数有限元工作是处理小应变、小位移、弹性材料和静载荷。然而，Turner等人1960年考虑了大挠度和热效应分析，Gallagher等人1962年考虑了材料非线性，Gallagher和Pad1963年还首次处理了屈曲问题。Zienkiewicz等人1968年将有限元方法扩充到粘弹性问题。Archer 1965年在建立一致质量矩阵中考虑了动力分析，用于分析分布质量系统，如结构分析中的杆和梁。Melosh 1963年认识到有限元方法可以借助变分公式建立，有限元方法开始用于解非结构应用问题。Zienkiewicz和Cheung 1965年，Martin 1968年，Wilson和Nickel 1966年求解场问题，如确定轴的扭转、流体流动和热传导。由于加权残余法的适应性使有限元方法得以进一步扩展，Szabo和Lee 1965年首次推导了从前已知的用于结构分析的弹性方程，然后Zienkiewicz和Parekh1970年推导3 厦门大学学士学位论文了用于瞬态场问题的方程。就是从这时开始认识到，当直接公式和变分公式难以或不可能使用时，加权残余法常常是适当的。例如，Lyness等人1977年将加权残余法用于确定磁场。Belytschko 在1976年考虑了与大位移非线性动力特性有关的问题，并改进了求解得出的方程组的数值技术。当今有限元法已成为在工程分析中获得广泛应用的数值计算方法。随着计算机技术的飞速发展，机械领域已进入了计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)和计算机辅助工程(CAE)，CAE的核心都是计算分析，有限元法则是计算分析的重要手段之一。因此，将有限元方法应用于机床设计中，将有助于提高机床的设计质量和性能。1.3.2 数控机床的发展数控机床(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。此后，其他一些国家(如德国、英国、日本、前苏联等)都开展了数控机床的控制开发和生产。1959年，美国克耐杜列克公(Keaney & Trecker)首次成功开发了加工中4 1 绪论 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60年代末，出现了直接数控系统DNC(direct NC)，即由一台计算机直接管理和控制一群数控机床。1967年，英国出现了由多台数控机床连接而成的柔性加工系统，这便是最初的柔性制造系统(flexible system简称FMS)。20世纪80年代初，出现了加工中心或车削中心为主体，配备工件自动装卸和监控检验装置的柔性制造单元(flexible manufacturing cell，简称FMC)。近几年，又出现了以数控机床为基本加工单元的计算机集成制造系统(computer integrated manufacturing systems，简称CIMS)，实现了生产决策、产品设计及制造、经营等过程的计算机集成管理和控制。数控机床的发展趋势是高速化和高精密化。20世纪90年代以来，欧、美、日各国争相开发应用高速数控机床，加快机床高速化的步伐。高速主轴单元(电主轴的转速达15000rmin一1000000 rmin)，高速且高加/减速度的进给运动部件(快移速度60mmin-120mmin，切削进给速度高达60mmin)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。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5 厦门大学学士学位论文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。其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级(小于10纳米)，其应用范围日趋广泛。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。1.3.3 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，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。6 1 绪论 美国Catholic大学Gbiabch等进行了机床动态设计与控制相结合的研究，Michigan大学Tjiang和Mchiredast在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Tehran University的Ramezanali Mahdavinejad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。英国University of British Columbia的MaedaOsamn等对主轴专家设计系统进行了研究，该系统利用模糊设计准则，对主轴的驱动配置进行交互式的自动设计，主轴的结构动态特性通过沿着主轴分配轴承自动地优化。该主轴专家设计系统用Timoshenko beam理论，将能交互地预测主轴在刀尖处的频率响应函数。Purdue University的LiHong qi等对高速主轴的集成热动力模型的求解进行了研究，并开发了综合求解高速主轴轴承系统的计算机程序，用以求解轴承的刚度、接触载荷、温度和主轴的动态特性和响应、温度分布和热膨胀等。波兰Technical University of Lublin的J Montusiewicz对静压轴承的机床主轴系统的计算机辅助优化进行了研究，建立了静压轴承的主轴系统的一般模型，开发了磨床和车床的计算机优化设计软件包。印度的BaisR.S等对钻床的模态测试模态辨识进行了研究，建立了钻床的有限元模型。7 厦门大学学士学位论文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。昆明理工大学梁祖峰对TH6350加工中心主轴系统进行了实验模态分析，从理论上对模态分析、参数识别、相关的信号分析以及实验方法进行了讨论。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、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的专用软件系统的研究与开发。常州工学院张宇应用有限元法建立了一个机床主轴部件的数学模型，用来计算主轴部件及各类轴类部件的动态特性。沈阳工业学院史安娜等对卧式加工中心主轴部件的动静态特性进行了分析，主要讨论了轴承预紧力和前后支承刚度对主轴固有频率的影响。宁夏大学刘晶对某型数控机床，建立了它的主轴组件的有限元动力学模型，并对主轴单元的动态特性进行了计算分析。8 1 绪论 福州大学施孟贵应用传递矩阵法原理编制程序，对C6240F车床的主轴部件动态特性参数进行分析计算。齐齐哈尔第一机床厂的娄晓钟等对125m立式车床的关键零部件进行了有限元分析。综合以上文献资料可以发现，国课题的研究方法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；2、用SolidWorks对所涉及的数控机床关键零部件进行三维建模；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。1.5 研究数控车床主轴结构设计1、主轴组件的基本要求2、车床主轴常用滚动轴承3、主轴的主要参数设计9 厦门大学学士学位论文1.5.2 车床主轴组件的三维建模1、零件图的绘制2、标注件的选用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1.6 设计前提1.6.1 设计要求本设计为数控机床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，主轴脉冲发生器等组成。主轴是加工中心的关键部位，其结构优劣对加工中心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。10 1 绪论 1.6.2 设计参数参数：P=4.5kw，n=1450r/min，切削力为85N 11 厦门大学学士学位论文2 对主轴组件的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。2.1 基本要求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12 3 对主轴组件的要求 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。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。13 厦门大学学士学位论文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。14 3 对主轴组件的要求 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。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%。 15 厦门大学学士学位论文3 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