数控机床关键零部件的设计与应力分析本科毕业论文(编辑修改稿)

数控机床关键零部件的设计与应力分析本科毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

eam 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 Li． Hong 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 Bais． 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。 厦门大学学士学位论文 8 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。 1 绪论 9 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 12． 5m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。 课题的研究方法 结合数控机床设计手册对数控机床关键零部件进行设计； 用 SolidWorks 对所涉及的数控机床关键零部件进行三维建模； 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。 研究内容 数控车床主轴 结构 设计 主轴组件的基本要求 车床主轴常用滚动轴承 主轴的 主要参数 设计 厦门大学学士学位论文 10 车床主轴 组件的三维建模 零件图的绘制 标注件的选用 装配图绘制 主轴的 ANSYS 分析 三维建模 网格划分 加载约束和载荷 应力分析结果 设计前提 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。 1 绪论 11 设计 参数 参数： P=， n=1450r/min， 切削力 为 85N 厦门大学学士学位论文 12 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。 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。 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。 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3 对主轴组件的要求 13 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。 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。 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。 厦门大学学士学位论文 14 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。 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. 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。 3 对主轴组件的要求 15 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。 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%。 厦门大学学士学位论文 16 3 主轴轴承的选择 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3 主轴轴承的选择 17 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 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 图 双列圆柱滚子轴承 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大、刚度要求高、中等转速的地方。 双向推力角接触球轴承 BTAA／ BTAB。 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厦门大学学士学位论文 18 向载荷。 常用的接触角主要有两种： ａ =25176。 ，ａ 1=15176。 ，其中 ａ =25176。 的编号为 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。 ａ 1=15176。 的编号为 7000C 型（旧代号为 36100型），属于特轻型；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 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=25176。 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=15176。 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 双列圆柱滚子轴承 3． 2 轴承精度 轴承的精度，分为 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3 主轴轴承的选择 19 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 选用。 数控机床，可按精密级或高精度级选用。 表 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） 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。 这都有利于提高轴厦门大学学士学位论文 20 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。 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。