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西安科技大學高新學院
畢業(yè)設計（論文）
系 別：
機 電 信 息 學 院
專 業(yè)：
機械設計制造及其自動化
學 生 姓 名：
學 號：
設計(論文)題目：
XK2001機床主軸組件建模與工程分析設計
起 迄 日 期:
2012年 9月 24日 — 2012年 12月16日
設計(論文)地點:
西安科技大學高新學院
指 導 教 師:
專業(yè)教研室負責人:
52
摘 要
ANSYS有限元軟件包是一個多用途的有限元法計算機設計程序，可以用來求解結(jié)構、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。因此它可應用于以下工業(yè)領域： 航空航天、工業(yè)、生物醫(yī)學、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機械、微機電系統(tǒng)、運動器械等。
機床主軸是最常件的零件，該零件結(jié)構較為簡單，操作方便，加工精度高，價格低廉，因此得到了廣泛的使用。目前很多機床主軸都做了適當?shù)母倪M，使其適用性得到了更大的提高。
本設計是基于ANSYS軟件來機床主軸行分析。與傳統(tǒng)的計算相比，借助于計算機有限元分析方法能更加快捷和精確的得到結(jié)果。設置正確的模型、劃分合適的網(wǎng)格，并合理設置求解過程，能夠準確的獲得分析模型各個部位的應力、變形等結(jié)果。對零件的設計和優(yōu)化有很大的參考作用。
正是因為上述優(yōu)點，我在本設計中運用PROE來建立三維模型。再將此模型導入ANSYS軟件來對其進行分析。
關鍵詞：機床主軸，三維建模，ANSYS，動靜態(tài)分析
Abstract
ANSYS (finite element) package is a multi-purpose finite element method for computer design program that can be used to solve the structure, fluid, electricity, electromagnetic fields and collision problems. So it can be applied to the following industries: aerospace, automotive, biomedical, bridges, construction, electronics, heavy machinery, micro-electromechanical systems, sports equipment and so on.
Transmission shaft is the most common a regular part, the part structure is simple, convenient operation, high precision, low prices, it has been widely used. At present, many have made the appropriate Transmission shaft improvements, it has been greatly enhanced applicability.
The design is based on ANSYS software to Transmission shaft by the line of spindle. Compared with the traditional calculation, computer-based finite element analysis method can be faster and more accurate results. Set the correct model, dividing the right grid, and set a reasonable solution process, analytical model can accurately access the various parts of the stress and deformation results. On the part of the design and optimization has great reference.
It is because of these advantages, the use of this design in my PROE to create three-dimensional model Transmission shaft. Then this model was introduced by the ANSYS software to its line of analysis.
Key Words: Transmission shaft，three-dimensional modeling ，ANSYS， dynamic and static analysis
XK2001機床主軸組件建模與工程分析設計
目 錄
摘 要 II
Abstract III
目 錄 IV
第1章 緒論 7
1.1 選題的目的和意義 7
1.2選題的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 7
1.3 機床主軸知識 8
1.4 機床主軸的結(jié)構特點 8
第2章 本課題任務和研究方法 10
2.1 課題任務 10
2.2分析方法 10
2.3 本課題的研究方法 11
2.4 有限元方法介紹 11
2.4.1概述 11
2.4.2 基本思想 11
2.4.3特點 12
2.5 ANSYS軟件簡介 13
第3章 XK2001機床主軸組件理論設計計算 14
3.1主軸主要參數(shù)的計算 14
3.1.1主軸前端直徑D1 14
3.1.2主軸內(nèi)徑 d 14
3.1.3主軸前端懸伸量a確定 15
3.1.4 主軸跨距的確定 16
3.2 軸的剛度計算 16
3.3 軸承的選型 17
3.3.1角接觸球軸承 18
3.3.2 圓柱滾子軸承 19
3.3.3圓錐滾子軸承 19
3.3.4 深溝球軸承 19
3.4 軸承間隙調(diào)整和預緊 20
3.5 主軸組件的剛度和剛度損失的計算 20
3.6 軸承的校核 22
3.7 主軸組件的潤滑和密封 23
3.7.1主軸滾動軸承的潤滑 23
3.7.2脂潤滑 23
3.7.3 油潤滑 24
3.7.4 主軸組件的密封 24
第4章 確定機床主軸研究對象和PROE建模 25
4.1確定機床主軸研究對象概述 25
4.2 主軸建模 25
4.3 軸承建模 26
4.4 圓螺母建模 27
4.5 齒輪建模 28
4.6 其他附件建模 29
第5章 機床主軸的有限元分析 33
5.1有限元分析的基本步驟 33
5.2 有限元分析過程與步驟 33
5.2.1 轉(zhuǎn)換模型格式 33
5.2.2 具體分析操作設置 36
5.2.3 具體分析操作設置 39
5.2.4分析與求解過程 45
5.2.5后處理過程 47
第六章 總結(jié)和機床主軸的優(yōu)化設計分析 51
結(jié)論 - 54 -
參考文獻 - 55 -
致 謝 - 56 -
第1章 緒論
1.1 選題的目的和意義
隨著計算機技術的日益普及和FEA技術的蓬勃發(fā)展，人們已經(jīng)廣泛采用計算機有限元仿真分析來作為機床主軸強度校核的方法。而機床主軸向重載、高速、低噪、高可靠性方向發(fā)展，現(xiàn)代機床主軸設計對傳動系統(tǒng)的靜、動態(tài)特性提出了更高的要求。機床主軸設計的主要內(nèi)容之一是機床主軸。因此，建立比較精確的分析模型，準確的掌握輪齒應力的分布特點和變化規(guī)律具有重要的意義。
本文采用在PROE等CAD軟件中建立模型,然后導入到ANAYS中進行分析相比，既省時省力，又克服了模型轉(zhuǎn)換過程中容易出現(xiàn)的一些問題。根據(jù)有限元分析結(jié)果，與赫茲公式計算結(jié)果進行對比，驗證了分析結(jié)果的可靠性，在保證結(jié)構安全可靠運行的條件下，提高設計制造的效率，降低設計研制成本。
本課題從彈性力學的基本理論出發(fā)，以機床主軸的有限元分析為重點，ANSYS10.0 為軟件平臺，借助計算機對機床主軸進行迅速、高效地強度設計分析，正應了當今市場的需求。
1.2選題的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢
近年來，隨著計算機技術的普及和計算速度的不斷提高，有限元分析方法在工程設計和分析中，已成為解決復雜工程分析計算問題的有效途徑。有限元作為CAE技術中的一種關鍵計算方法，自20世紀中葉產(chǎn)生以來，以其獨有的魅力得到了越來越廣泛的發(fā)展和應用。目前，已出現(xiàn)了不同形態(tài)的有限元方法，并由此產(chǎn)生了一批非常成熟的通用和專業(yè)的有限元商業(yè)軟件。
ANSYS軟件是美國ANSYS公司研制的融合結(jié)構、熱、流體、電磁場、聲場和耦合場分析與一體的大型通用有限元分析(FEA)軟件。其用戶涵蓋了核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機械制造、能源、電子、造船、交通、國防軍工、土木工程地礦、水利、日用家電和教學科研等眾多領域。該軟件可在大多數(shù)計算機和操作系統(tǒng)上運行，ANSYS文件在其所有的產(chǎn)品系列和工作平臺上均兼容。其基于Motif的菜單系統(tǒng)，讓用戶能夠方便地通過對話框、下拉式菜單和子菜單進行數(shù)據(jù)輸入和功能選擇。另外，ANSYS能與多數(shù)CAD軟件結(jié)合使用，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如AutoCAD、I-DEAS、Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設計中的高級CAD工具之一。在相繼收購了ICEM、CFX、CENTURY DYNAMICS、AAVID THERMAL、FLUENT等世界著名有限元分析程序制造公司并將其產(chǎn)品和ANSYS整合之后，ANSYS實際上已成為世界上最通用和有效的商業(yè)有限元軟件。在我國，ANSYS軟件經(jīng)過多年的經(jīng)營，商業(yè)版用戶已達數(shù)百家，遍及各個領域，與此同時，70%以上的理工大學均用ANSYS進行科學研究及教學。
1.3 機床主軸知識
機床主軸指的是機床上帶動工件或刀具旋轉(zhuǎn)的軸。通常由主軸、軸承和傳動件（齒輪或帶輪）等組成主軸部件。在機器中主要用來支撐傳動零件如齒輪、帶輪，傳遞運動及扭矩，如機床主軸；有的用來裝夾工件，如心軸。[1]除了刨床、拉床等主運動為直線運動的機床外，大多數(shù)機床都有主軸部件。主軸部件的運動精度和結(jié)構剛度是決定加工質(zhì)量和切削效率的重要因素。衡量主軸部件性能的指標主要是旋轉(zhuǎn)精度、剛度和速度適應性。①旋轉(zhuǎn)精度：主軸旋轉(zhuǎn)時在影響加工精度的方向上出現(xiàn)的徑向和軸向跳動（見形位公差），主要決定于主軸和軸承的制造和裝配質(zhì)量。②動、靜剛度：主要決定于主軸的彎曲剛度、軸承的剛度和阻尼。③速度適應性：允許的最高轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速范圍，主要決定于軸承的結(jié)構和潤滑，以及散熱條件。
1.4 機床主軸的結(jié)構特點
機床主軸指的是機床上帶動工件或刀具旋轉(zhuǎn)的軸。通常由主軸、軸承和傳動件（齒輪或帶輪）等組成主軸部件。除了刨床、拉床等主運動為直線運動的機床外，大多數(shù)機床都有主軸部件。機床主軸部件的運動精度和結(jié)構剛度是決定加工質(zhì)量和切削效率的重要因素。衡量主軸部件性能的指標主要是旋轉(zhuǎn)精度、剛度和速度適應性。①旋轉(zhuǎn)精度：主軸旋轉(zhuǎn)時在影響加工精度的方向上出現(xiàn)的徑向和軸向跳動（見形位公差），主要決定于主軸和軸承的制造和裝配質(zhì)量。②動、靜剛度：主要決定于主軸的彎曲剛度、軸承的剛度和阻尼。③速度適應性：允許的最高轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速范圍，主要決定于軸承的結(jié)構和潤滑，以及散熱條件。傳統(tǒng)結(jié)構的機床主軸伸縮套是將花鍵套與凸緣叉焊接在一起，將花鍵軸焊在機床主軸管上。而GWB公司的機床主軸一改傳統(tǒng)結(jié)構，將花鍵套與機床主軸管焊接成一體，將花鍵軸與凸緣叉制成一體。并將矩形齒花鍵改成大壓力角漸開線短齒花鍵，這樣既增加了強度又便于擠壓成形，適應大轉(zhuǎn)矩工況的需要。在伸縮套管和花鍵軸的牙齒表面，整體涂浸了一層尼龍材料，不僅增加了耐磨性和自潤滑性，而且減少了沖擊負荷對機床主軸的損害，提高了緩沖能力。
該型機床主軸在凸緣花鍵軸外增加了一個管形密封保護套，在該保護套端部設置了兩道聚氨酯橡膠油封，使伸縮套內(nèi)形成廠一個完全密封的空間，使伸縮花鍵軸不受外界沙塵的侵蝕，不僅防塵而且防銹。因此在裝配時在花鍵軸與套內(nèi)一次性涂抹潤滑脂，就完全可以 滿足使用要求，不需要裝油嘴潤滑，減少了保養(yǎng)內(nèi)容。
第2章 本課題任務和研究方法
2.1 課題任務
利用有限元軟件ANSYS10.0的結(jié)構分析模塊對機床主軸進行有限元分析。通過建立機床主軸的幾何模型、有限元模型，對分析模型進行結(jié)構應力分析，學會對有限元分析結(jié)果進行分析和優(yōu)化。
2.2分析方法
選擇網(wǎng)格類型、劃分網(wǎng)格
定義邊界條件、加載
創(chuàng)建模型
定義材料屬性、單元類型
做結(jié)構靜態(tài)分析
獲取應力分布
拾取應變值
仿真分析
結(jié)束仿真
結(jié)束
改變實體參數(shù)
依照圖示的此種方法對XK2001機床主軸進行仿真分析。在分析XK2001機床主軸的應力是需要注意的是右圖在劃分網(wǎng)格類型和定義邊界條件中間所應夾一接觸對的建立的方框，對于應力仿真分析大致與右圖的分析方法一致。
2.3 本課題的研究方法
由于ANSYS自身的建模比較繁瑣，采用借助第三方3D設計軟件建立模型，然后導入到ANSYS分析，也是目前比較公認的快捷方法。本課題借助PROE設計3D模型。
2.4 有限元方法介紹
2.4.1概述
在科學技術領域內(nèi)，對于許多力學問題和物理問題，人們已經(jīng)得到了它們遵循的基本方程（常微分方程或偏微分方程）和相應的定解條件，但能用解析法得出精確解的只是少數(shù)方程性質(zhì)比較簡單，且?guī)缀涡螤钕鄬σ?guī)則的問題，而對于大多數(shù)問題，由于方程的某些非線性性質(zhì)的特征或求解區(qū)域幾何形狀的復雜，不能得到解析結(jié)果。部分問題可以通過簡化得到簡化狀態(tài)下的解答，但過多的簡化會導致解答誤差很大甚至完全錯誤。因此，人們經(jīng)過多年來的尋找，建立和發(fā)展了另一種求解途徑和方法——數(shù)值解法。有限單元法就是其中得以廣泛應用的一種。有限單元法是用于求解各類工程實際問題的方法。應力分析中的穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、線性、非線性的問題以及熱力學、流體力學、電磁學和高速沖擊動力學問題都可以通過有限元方法得到解決。自從20世紀60年代CloPROEh第一次提出“有限單元法（或稱有限元法）”這個名稱以來，經(jīng)過40多年的發(fā)展，它如今已經(jīng)成為工程分析中應用最廣泛的數(shù)值計算方法。由于它的通用性和有效性，受到工程技術界的高度重視，伴隨著計算機科學和技術的飛速發(fā)展，有限單元法現(xiàn)已成為計算機輔助設計和計算機輔助制造的重要組成部分。
2.4.2 基本思想
數(shù)值分析的任務，就是從無限維空間轉(zhuǎn)化到有限維空間，把連續(xù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散系統(tǒng)的結(jié)構。有限元法是利用場函數(shù)分片多項式逼近模式來實現(xiàn)離散化過程的，也就是說，有限元法依賴于這樣的有限維子空間，它的基函數(shù)系是具有微小支集的函數(shù)系，這樣的函數(shù)系與大范圍分析相結(jié)合，反映了場內(nèi)任何兩個局部地點場變量的相互依賴關系。任何一個局部地點，它的影響函數(shù)和影響區(qū)域，正是基函數(shù)本身和它的支集。在線性力學范疇里，場內(nèi)處于不同位置的力相互作用產(chǎn)生的能量可用雙線性泛函B(Φi, Φj)來表示，其中Φi, Φj正是相應的點的基函數(shù)。B(Φi, Φj)的大小與Φi, Φj支集的交集大小有關，如果兩個支集的測度為零，則B(Φi, Φj)=0，因此，離散化所得到的方程的系數(shù)矩陣是稀疏的。若區(qū)域分割得愈細，則支集不相交的基函數(shù)對愈多，矩陣也就愈稀疏，這給數(shù)值解法帶來了極大的方便。
2.4.3特點
（1）物體離散化
將某個工程結(jié)構離散為由各種單元組成的計算模型，這一步稱為單元剖分。離散后單元與單元之間利用單元的節(jié)點相互連接起來，單元節(jié)點的設置、性質(zhì)、數(shù)目等應視問題的性質(zhì)，描述變形形態(tài)的需要和計算進度而定（一般情況下，單元劃分越細則描述變形情況越精確，即越接近實際變形，但計算量也就越大。）所以有限元中分析的結(jié)構已不是原有的物體或結(jié)構體，而是由新材料的眾多單元以一定方式連接成的離散物體。因此，用有限元分析計算所獲得的結(jié)果只是近似值，但劃分單元數(shù)目非常多且合理，則所獲得的結(jié)果就與實際情況基本相符。
（2）單元特性分析
(a) 選擇位移模式
在有限元法中，選擇節(jié)點位移作為基本未知量時稱為位移法；選擇節(jié)點力作為基本未知量時稱為力法；取一部分節(jié)點力和一部分節(jié)點位移作為基本未知量時稱為混合法。位移法易于實現(xiàn)計算自動化，所以在有限元法中位移法應用范圍最廣。當采用位移法時，物體和結(jié)構體在離散化之后，就可以把單元中的一些物理量，如位移、應變和應力等用節(jié)點位移來表示，這時可以對單元中位移的分布采用一些能逼近原函數(shù)的近似函數(shù)予以描述。通常，有限元法就將位移表示為坐標變量的簡單函數(shù)，這種函數(shù)稱為位移模式或位移函數(shù)。
(b) 分析單元的力學性質(zhì)
根據(jù)單元的材料性質(zhì)、形狀、尺寸、節(jié)點數(shù)目、位置及其含義等，找出單元節(jié)點力和節(jié)點位移的關系式，這是單元分析中的關鍵一步。此時需要應用彈性力學中的幾何方程和物理方程來建立力和位移的方程式，從而導出單元剛度矩陣，這是有限元法的基本步驟之一。
(c) 計算等效節(jié)點力
物體離散化后，假定力是通過節(jié)點從一個單元傳遞到另一個單元，但是對于實際的連續(xù)體，力是從單元的公共邊傳遞到另一個單元中去的。因而，這種作用在單元邊界上的表面力、體積力和集中力都需要等效地移到節(jié)點上去，也就是用等效的節(jié)點力來代替所有作用在單元上的力。
(3) 單元組集
利用結(jié)構力的平衡條件和邊界條件把各個單元按原來的結(jié)構重新連接起來，形成整體的有限元方程：
K*q=f
其中：K是整體結(jié)構的剛度矩陣；q是節(jié)點位移列陣；f是載荷列陣。
(4) 求解未知節(jié)點位移
求解有限元方程式可以得出位移。這里，可以根據(jù)方程組的具體特點來選擇合適的計算方法。通過上述分析可以看出，有限元的基本思想是“一分一合”，分是為了進行單元分析，合則是為了對整體結(jié)構進行綜合分析。
2.5 ANSYS軟件簡介
ANSYS軟件是融合結(jié)構、熱、流體、電磁場、聲場和耦合場分析與一體的大型通用有限元分析(FEA)軟件。它是由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS公司開發(fā)的，并能與多數(shù)CAD軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor、I-DEAS、AutoCAD等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設計中的高級CAD工具之一。ANSYS軟件是第一個通過ISO9001質(zhì)量認證的大型分析設計類軟件，是美國機械工程師協(xié)會ASME、美國核安全局NQA及近20種專業(yè)技術協(xié)會認證的標準分析軟件。在國內(nèi)，它第一個通過了中國壓力容器標準化技術委員會認證并在國務院17個部委推廣使用。
ANSYS軟件主要包括三部分：前處理模塊、分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊Preprocessor、分析計算模塊Solution、后處理模塊Postprocessor。前處理模塊Preprocessor提供了一個強大的實體建模和網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構造有限元模型；分析計算模塊Solution包括結(jié)構分析、流體力學分析、電磁場分析、聲場分析。壓電分析及多物理場的耦合分析，可模擬多重物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析和優(yōu)化分析能力；后處理模塊Postprocessor可將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示等圖形方式顯示出來。
第3章 XK2001機床主軸組件理論設計計算
3.1主軸主要參數(shù)的計算
主軸的主要參數(shù)是：主軸前端直徑D1，主軸內(nèi)徑d。主軸懸伸量a和主軸支撐跨距L。
3.1.1主軸前端直徑D1
主軸D1（按電機功率）如下表5-1（mm）：
功率（kw）
D1
機床
1.4～2.5
2～3.5
3～5.5
5～7.3
7.4～11
車床
60～80
70～90
70～105
95～130
110～145
銑床及加工中心
50～90
60～90
60～95
75～100
90～105
外圓磨床
——
50～60
55～70
70～80
75～90
表5-1
車床、銑床、鏜床、加工中心等機床因裝配的需要，主軸直徑常是自前往后逐漸減小的。前軸頸直徑D1大于后軸直徑D2。對于車、銑床一般，由上表可取D1=110mm。
因此可知由式子
后端直徑
圓整后
3.1.2主軸內(nèi)徑 d
主軸內(nèi)孔徑與機床類型有關，主要用來通過棒料、鏜桿、拉桿或頂尖。確定內(nèi)孔徑原則是為減輕主軸重量，在滿足對空心主軸孔徑要求和最小壁厚要求下，應取最大值。
主軸的內(nèi)徑是通過刀具夾具裝置固定刀具、傳動氣動或液壓卡盤等。主軸孔徑越大，主軸部件的相對重量就越輕。主軸的孔徑大小主要受主軸剛度的制約。主軸的孔徑與主軸直徑之比，小于0.3時空心主軸的剛度幾乎與實心主軸相等；等于0.5時空心主軸的剛度為實心主軸的90%；大于0.7時，空心主軸的剛度就急劇下降。一般可取其比值為0.5左右。
主軸本身剛度K正比于抗彎斷面慣性矩I
由式子可知取孔徑的直徑極限為
此時若孔徑再大，剛度急劇下降
根據(jù)推薦值
取 ，d1=55 mm
3.1.3主軸前端懸伸量a確定
圖3-1
主軸懸伸量指主軸前端面到前支承徑向反力作用中點（一般即為前徑支撐中點）的距離，參考（1）表3.1-45，它主要取決于主軸前端部結(jié)構形式和尺寸，前支撐軸承配置和密封等。因此主要由結(jié)構設計確定。
懸伸量與主軸部件的剛度及抗振性成反比，故應盡量取小值。
E---材料的彈性模量
I---軸慣性距
--前剛度值 --后剛度值
初選a值可參考下表5-2確定
車床和主軸類型
精密車床、自動車床用滾動軸承支承，適用高精度和普通精度要求
0.6—1.5
中等長度和較長主軸端的車床和銑床，懸伸不太長（不是細長）的精密鏜床和內(nèi)圓磨床，用滾動軸承和滑動軸承支承適用于絕大部分普通生產(chǎn)要求
1.25—2.5
表3-2
計算得懸伸量為80mm
3.1.4 主軸跨距的確定
主軸跨距是決定主軸系統(tǒng)動靜剛度的重要影響因素，目的是找出在切削力作用下，主軸前端的柔度值最小的跨距稱為最優(yōu)跨距（）。實驗證明，動態(tài)作用下最優(yōu)跨距很接近于推得最優(yōu)值，因此設計時盡量達到最優(yōu)值。
前端角接觸球軸承的剛度（主要為軸向剛度）
其中：
內(nèi)徑為110mm,查參考（2）表4.3-5
查軸承樣本額定動載荷
取
計算得主軸跨距為300mm
3.2 軸的剛度計算
如果主軸前后軸承由數(shù)段組成，則當量直徑
（mm） （參考文獻2）
式中 、、、、…、、——分別為各段的直徑和長度（㎜）；
——總長，
如果前后軸承的直徑相差不大，也可把前后軸承直徑的平均值近似地作為當量直徑d。
主軸的前懸伸部分較粗，剛度較高，其變形可以忽略不記，后懸伸部分不影響剛度，也可不計算。如主軸前端作用一外載荷F如下圖（參考文獻3）
圖3-2 主軸組件計算模型
則撓度：
（參考文獻2）
式中 F——外載荷（N）；
a——前懸伸，等于載荷作用點至前支承點間的距離（mm）；
l——跨距，等于前后支承的距離（mm）；
E——彈性模量，鋼的 ；
I——截面慣性距, ；
——主軸的外徑和孔徑（mm）。
又因為，孔的影響可以忽略由此可得主軸剛度滿足要求。
3.3 軸承的選型
主軸軸承是主軸組件的重要組成部分，它的類型、結(jié)構、配置、精度、安裝、調(diào)整、潤滑和冷卻都直接影響了主軸組件的工作性能。在數(shù)控機床上主軸軸承常用的有滾動軸承和滑動軸承。
滾動軸承摩擦阻力小，可以預緊，潤滑維護簡單，能在一定的轉(zhuǎn)速范圍和載荷變動范圍下穩(wěn)定地工作。滾動軸承有專業(yè)化工廠生產(chǎn)，選購維修方便，在數(shù)控機床上被廣泛采用。與滑動軸承相比，滾動軸承的噪聲大，滾動體的數(shù)目有限，剛度是變化的，抗震性略差，但總體來說，數(shù)控機床主軸組件在可能的條件下，應盡量使用滾動軸承，特別是大多數(shù)立式主軸和主軸在套筒內(nèi)能夠做軸向移動的主軸。這時用滾動軸承可以用潤滑脂潤滑，以避免漏油。滾動軸承根據(jù)滾動體的結(jié)構分為球軸承、圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承三大類。
主軸軸承主要應根據(jù)精度、剛度和轉(zhuǎn)速來選擇，為了提高精度和剛度，主軸軸承間的間隙應該是可調(diào)的。線接觸的滾子軸承比點接觸的球軸承的剛度高，但一定溫升下允許的轉(zhuǎn)速較低，下面就簡述幾種常用的數(shù)控機床主軸的機構及適用范圍。
3.3.1角接觸球軸承
這種軸承既可以承受徑向載荷又可以承受軸向載荷。常用的接觸角主要有兩種： ａ=25°，ａ=15°，其中ａ=25°的編號為7000AC型（舊代號為46100型），屬于特輕型；或編號為7190AC型（舊代號為46900型），屬于超輕型。ａ=15°的編號為7000C型（舊代號為36100型），屬于特輕型；或編號為7190C型；或編號為7190C型（舊代號為1036900型），屬于超輕型。如圖3-1所示（參考文獻2）
圖3-1角接觸球軸承
角接觸球軸承多用于高速主軸，隨接觸角的不同，其應用有所區(qū)別，α=25°的軸向剛度較高，但徑向剛度和允許的轉(zhuǎn)速略低，多用于車、鏜、銑加工中心等主軸；α=15°的轉(zhuǎn)速可更高一些，但是軸向剛度較低，常用于軸向載荷較小、轉(zhuǎn)速較高的磨床主軸或不承受載荷的車、鏜、銑主軸后軸承。
圖3-2角接觸球軸承
這種軸承為點接觸，剛度較低。為了提高剛度和承載能力，常用多聯(lián)組配的方法。所以本設計前支承采用雙聯(lián)組配的方式，代號為DF。
3.3.2 圓柱滾子軸承
圖3-3為雙列圓柱滾子軸承（參考文獻2），他的特點是內(nèi)孔為1：12的錐孔，與主軸的錐行軸徑相配合。軸向移動為內(nèi)圈，可把內(nèi)圈脹大，以消除徑向間隙或預緊，這種軸承只能承受徑向載荷。
圖 3-3雙列圓柱滾子軸承
3.3.3圓錐滾子軸承
圓錐滾子軸承既能承受徑向載荷，又能承受雙向的軸向載荷，滾子數(shù)量大，故剛度和承載能力均較大。由于圓錐滾子軸承是外緣凸肩軸向定位，因而箱體上通孔加工方便，但缺點是滾子大端的端面與內(nèi)圈擋邊之間為滑動摩擦，發(fā)熱較大，故允許的極限轉(zhuǎn)速較低。
3.3.4 深溝球軸承
這種軸承只能承受徑向載荷，軸向載荷則由配套的推力軸承承受。此種軸承一般不能調(diào)整，常用于精度要求和剛度要求不太高的地方。
在本設計中，前軸承采用角接觸球軸承以適應較高速的要求。主軸軸向載荷較大，故選用接觸角的軸承。軸向力的方向是從軸頭部指向尾部，故前軸承采用三聯(lián)組配，前兩軸承同向都面朝前，共同承擔軸向載荷。后一軸承與前兩軸承背靠背，以實現(xiàn)預緊。后支承的載荷較大，因此采用雙列圓柱滾子軸承。這種軸承的外圈是可以分離的，主軸熱膨脹時，可連同軸承內(nèi)圈的滾子在外圈滾道上軸向移動。后軸承直徑比前軸承小，預緊力也小，因此溫升不致超過前軸承。
3.4 軸承間隙調(diào)整和預緊
主軸軸承的內(nèi)部間隙，必須能夠調(diào)整。多數(shù)軸承，還應能夠在過盈狀態(tài)下工作，使?jié)L動體和滾道之間有一定的欲變形，這就是軸承的預緊。
軸承預緊后，內(nèi)部無間隙，滾動體從各個方向支承主軸，有利于提高運動精度。滾動體的直徑不可能絕對相等，滾道也不可能絕對正圓，因而預緊前只有部分滾動體和滾道接觸。預緊后，滾動體和滾道都有了一定的變形，參加工作的滾動體將更多，各滾動體的受力將更均勻。這都有利于提高軸承的精度、剛度和壽命。如主軸產(chǎn)生振動，則由于各個方向都有滾動體支承，可以提高抗振性。但是，預緊后發(fā)熱較多，溫升較高；且太大的預緊將使軸承的壽命降低，故預緊要適當。本設計為數(shù)控車床的主軸組件設計，功率相對較小，所以取中預緊。
3.5 主軸組件的剛度和剛度損失的計算
最佳跨距的確定：
取彈性模量E=N/， D=（90+65）/2=77.5mm；
主軸截面慣距：
截面面積；A=3459.9
主軸最大輸出轉(zhuǎn)矩：
故總切削力為：
估算時，暫取即取270mm
前后支承支反力
取=1033000N/mm
則
則=225mm
當量切削力的計算：
P=（a=B）/a＝3639對于車床 B=0.4=160mm
則水平面內(nèi)：
垂直面內(nèi)：
主軸端部的撓度計算：
，
傳動力的作用下，主軸端位移的計算公式見下式：
式中：“－”號表示位移方向上與力反向，b表示齒輪與前支承的距離，c表示齒輪與后支承的距離，將各值帶入，得
水平面內(nèi)：
垂直面內(nèi)：
則主軸最大端位移為：
已知主軸最大端位移許用值為＝0.0002L＝0.09mm
則<，符合要求。
主軸傾角的驗算：
在切削力p的作用下主軸前軸承處的傾角為：
水平面：
垂直面內(nèi)：
傳動力Q作用下主軸傾角為：
水平面內(nèi)：rad
垂直面內(nèi)：rad
則主軸前軸承處的角為
垂直面內(nèi)： rad
故符合要求。
3.6 軸承的校核
齒輪受切向力
徑向力：；切削力F=1310N，徑向切削力
軸向切削力， 轉(zhuǎn)速n=4000r/min d=90mm
垂直面內(nèi)的受力分析：
水平面內(nèi)的受力分析：
故合力：
求兩軸承的軸向力:對70000AC型軸承
兩次計算的差值不大，因此，確定，
當量動載荷：
對兩軸承取X=1，Y=0；
X=1，Y=0；
由載荷性質(zhì)，輕載有沖擊故取
當量載荷：
。
因為所以可知其壽命
軸承也符合剛度要求。
3.7 主軸組件的潤滑和密封
3.7.1主軸滾動軸承的潤滑
潤滑的作用是減少摩擦、降低溫升并與密封裝置一起保護軸承不受外物的損傷與腐蝕。潤滑劑和潤滑方式?jīng)Q定于軸承的類型、速度和工作負荷。如果選擇合適，可以降低軸承的工作溫度和延長使用壽命。
滾動軸承可以用潤滑脂或潤滑油潤滑。在速度較低時，用潤滑脂比用潤滑油溫升低；速度較高時，用油潤滑較好。
3.7.2脂潤滑
脂潤滑使用方便，不需要供油管路和系統(tǒng)，沒有漏油問題。如果轉(zhuǎn)速不太高（數(shù)值可查軸承樣本），滾動軸承應盡量采用脂潤滑，特別是立式主軸或裝在套筒內(nèi)可以伸縮的主軸（如鉆床、坐標鏜床、加工中心等的主軸）。
潤滑脂使用期限長，如果轉(zhuǎn)速不超極限值，一次充填可使用2000h以上。只要密封良好，不讓灰塵、油污進入軸承，一次充填可一直用到大修時才更換，中間不需填充。
潤滑脂填充量不宜過多，尤其不能填滿軸承空間。否則將引起過多的發(fā)熱，并油可能使脂熔化流出。
3.7.3 油潤滑
潤滑滾動軸承所需的油量很少，約每分鐘1～5滴。若油量增大，則由于攪拌作用會使溫度升高。油量增加過大，則冷卻作用為主，溫度會下降，但能耗卻加大了。常用油的粘度為12mm/s～30mm/s(40C時)。
高速主軸（如角接觸球軸承n106mm·r/min），發(fā)熱較多。為控制其溫升，希望潤滑時兼起冷卻的作用。采用油潤滑，用空氣冷卻的方法。常用油霧和油氣潤滑。
由于主軸前端采用了角接觸球軸承，速度較高，致使發(fā)熱較多，所以采用油潤滑，在潤滑時也起冷卻的作用。后端采用的是曲路（迷宮）密封為防止油液外漏，用脂潤滑雙列圓柱滾子軸承。
3.7.4 主軸組件的密封
主軸組件密封主要是防止油外泄和塵埃、屑末進入。密封的類型很多，兩個具有相對運動的結(jié)合面之間必然有間隙，它們之間的密封稱為動密封。兩個相對靜止不動的結(jié)合面之間的密封稱為靜密封。靜密封有研磨面密封、墊片密封、密封膠密封等。
在本設計中軸承端蓋與箱體之間的密封屬于靜密封，采用紙封油墊配合緊定螺釘進行密封，之所以采用此種密封是由于研磨面密封適用與結(jié)合面加工平整、光潔，但本設計箱體為鑄造，不合適；而密封膠密封又不便端蓋拆卸。
前、后端軸承端蓋通孔和軸之間的密封屬于動密封。前端軸承為角接觸球軸承，轉(zhuǎn)速較高，采用油潤滑，為防止油液甩出，此處采用了氈圈油封；后端軸承用脂潤滑，此處用迷宮式密封，利用其節(jié)流的作用達到密封的效果，且間隙中充滿著潤滑脂，密封效果更好。
第4章 確定機床主軸研究對象和PROE建模
4.1確定機床主軸研究對象概述
葉片作為曲面類零件的典型代表，其加工工藝可以作為曲面類零件加工工藝的參考，在銑削葉盆，葉背等部分時，用到數(shù)控銑床，在銑削過程中，機床主軸組件對加工質(zhì)量影響巨大，該課題通過建立銑床主軸的裝配模型，并進行機床工程分析，獲取主軸組件的最大變形量與切削深度的關系，通過分析主軸組件的頻譜，分析該型機床在加工中的轉(zhuǎn)速與粗糙度的關系，為加工出符合輪廓度和粗糙度要求的葉片提供轉(zhuǎn)速和進刀量參考值。
4.2 主軸建模
單擊工具欄中的按鈕，進入【旋轉(zhuǎn)】操控面板，單擊按鈕，接著在操控面板中單擊【放置】/【定義】按鈕，系統(tǒng)彈出【草繪】對話框，選中【TOP基準平面】作為草繪平面，選擇RIGHT基準平面作為參照平面。單擊【草繪】對話框中的“草繪”按鈕進入草繪界面。
在草繪界面在繪制如圖所示的草繪截面圖。單擊按鈕完成草繪。退出草繪界面后，在【旋轉(zhuǎn)】操控面板中單擊按鈕進行旋轉(zhuǎn)，在文本框中輸入角度距離為360。單擊按鈕完成操作，完成后效果如圖所示。
4.3 軸承建模
單擊工具欄中的按鈕，進入【旋轉(zhuǎn)】操控面板，單擊按鈕，接著在操控面板中單擊【放置】/【定義】按鈕，系統(tǒng)彈出【草繪】對話框，選中【TOP基準平面】作為草繪平面，選擇RIGHT基準平面作為參照平面。單擊【草繪】對話框中的“草繪”按鈕進入草繪界面。
在草繪界面在繪制如圖所示的草繪截面圖。單擊按鈕完成草繪。退出草繪界面后，在【旋轉(zhuǎn)】操控面板中單擊按鈕進行旋轉(zhuǎn)，在文本框中輸入角度距離為360。單擊按鈕完成操作，完成后效果如圖所示。
4.4 圓螺母建模
單擊工具欄中的按鈕，進入【旋轉(zhuǎn)】操控面板，單擊按鈕，接著在操控面板中單擊【放置】/【定義】按鈕，系統(tǒng)彈出【草繪】對話框，選中【TOP基準平面】作為草繪平面，選擇RIGHT基準平面作為參照平面。單擊【草繪】對話框中的“草繪”按鈕進入草繪界面。
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4.5 齒輪建模
單擊工具欄中的按鈕，進入【旋轉(zhuǎn)】操控面板，單擊按鈕，接著在操控面板中單擊【放置】/【定義】按鈕，系統(tǒng)彈出【草繪】對話框，選中【TOP基準平面】作為草繪平面，選擇RIGHT基準平面作為參照平面。單擊【草繪】對話框中的“草繪”按鈕進入草繪界面。
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4.6 其他附件建模
單擊工具欄中的按鈕，進入【旋轉(zhuǎn)】操控面板，單擊按鈕，接著在操控面板中單擊【放置】/【定義】按鈕，系統(tǒng)彈出【草繪】對話框，選中【TOP基準平面】作為草繪平面，選擇RIGHT基準平面作為參照平面。單擊【草繪】對話框中的“草繪”按鈕進入草繪界面。
在草繪界面在繪制如圖所示的草繪截面圖。單擊按鈕完成草繪。退出草繪界面后，在【旋轉(zhuǎn)】操控面板中單擊按鈕進行旋轉(zhuǎn)，在文本框中輸入角度距離為360。單擊按鈕完成操作，完成后效果如圖所示。
第5章 機床主軸的有限元分析
5.1有限元分析的基本步驟
預處理階段：
（1）建立求解域并將之離散化成有限元，即將問題分解成節(jié)點和單元。
（2）假設代表單元物理行為的形函數(shù)，即假設代表單元解的近似連續(xù)函數(shù)。
（3）對單元建立方程。
（4）將單元組合成總體的問題，構造總體剛度矩陣。
（5）應用邊界條件、初值條件和負荷。
解決階段：
（6）求解線性或非線性的微分方程組，以得到節(jié)點的值。
后處理階段：
（7）得到其他重要的信息。
5.2 有限元分析過程與步驟
5.2.1 轉(zhuǎn)換模型格式
需要把PROE的模型轉(zhuǎn)化為ANSYS可以讀取的方式。選擇保存方式為*.x_t格式的文件。
1、從程序中啟動ANSYS10.0的界面。
2、打開ANSYS窗口。
3、ANSYS分析目錄一旦設定好，以后ANSYS軟件操作所產(chǎn)生的所有文件都將存放在此目錄下，建議對不同的分析用不同的工作目錄，這樣可確保每次分析所產(chǎn)生的文件不會覆蓋的危險。如果沒有指定工作目錄，默認的工作目錄為系統(tǒng)所在盤的根目錄。工作目錄設置方式有兩種：
l 在進入ANSYS軟件之前通過入口選項所進行的設置；
l 進入ANSYS軟件后，可通過如下方法實現(xiàn)：
? 命令方式：在命令輸入窗口中輸入/CWD, DIRPATH（重新指定的工作目錄）；
? GUI方式：Utility Menu>Change Directory，在彈出的對話框中填入指定的工作目錄，單擊【確定】按鈕。如圖所示。
4、調(diào)入我們剛才保存的*.x_t文件。
5.2.2 具體分析操作設置
5、建立結(jié)構分析模式。命令方式：/KEYW（重新指定的分析標題）；
GUI方式：Main Menu>Preference，在彈出的如圖2.14所示的對話框中框中選取某個選項使以后出現(xiàn)的圖形界面中過濾掉與選定分析選項無關模塊的內(nèi)容，本書主要講述結(jié)構分析，因此選取Structural(結(jié)構)
6、選取和定義單元.下面將給出添加單元類型具體的GUI操作路徑，對于單元的選項，由于和具體的單元類型有關，在這里將不做具體的介紹。此處以添加PLANE42單元作為例子來介紹添加單元的操作步驟。
具體操作步驟如下：
依次選擇Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete命令，彈出Element Types(單元類型)對話框，如圖所示。
如果想改變單元的其他輸入選項（即上文提及的KEYOPTs）單擊【Options…】按鈕。出現(xiàn)如圖所示的element type options（單元類型選項）對話框。
確定后單擊【OK】按鈕，如有需要了解各設置的具體說明，可查看ANSYS幫助文件。
返回到如圖所示的對話框后單擊【Close】按鈕，結(jié)束單元類型的添加。
7、定義材料屬性
單擊Main>Preprocessor>Material Props>Material Models彈出定義材料屬性對話框如圖所示，填入EX： 2.06e5、PRXY：0.3，在Structural下單擊Friction Coefficient彈出如圖所示對話框，填入Mu：0.3.，至此材料屬性定義完成，下一步進入網(wǎng)格劃分。
8、網(wǎng)格劃分
實體建模的最終目的劃分網(wǎng)格以生成節(jié)點和單元，生成節(jié)點和單元的網(wǎng)格劃分過程分為兩個步驟：（1）定義單元屬性；（2）定義網(wǎng)格生成控制并生成網(wǎng)格。
5.2.3 具體分析操作設置
固定約束類型
固定約束類型
固定約束類型（放大觀看）
固定約束類型
固定約束類型
固定約束類型（另一端）
固定約束類型（放大）
施加力載荷
5.2.4分析與求解過程
求解結(jié)果提示。
5.2.5后處理過程
位移圖解
通過圖解查看變形受力狀況 很清晰的反映了啊
通過圖解發(fā)現(xiàn)圖示的齒輪受力部分的位移最大
通過圖解發(fā)現(xiàn)圖示的齒輪受力部分的應力密度最大
通過圖解發(fā)現(xiàn)圖示的齒輪受力部分的應力密度最大
第六章 總結(jié)和機床主軸的優(yōu)化設計分析
本文通過對機床主軸精確建模，進而進行接觸應力和彎曲應力分析，得出如下結(jié)論：
通過應力云圖可以看出機床主軸在中心部位處屬于應力集中，最容易發(fā)生破壞。中心部位應該加工，也說明中間部位材料比較厚實的正確性和合理性質(zhì)。
從而也證明了在ANSYS中進行應力應變分析的正確性，從而可以大大減少試驗費用，降低成本，為機床主軸的優(yōu)化設計和可靠性設計打下堅實的的基礎，進而可以優(yōu)化結(jié)構、齒或者優(yōu)化材料和工藝，最終實現(xiàn)齒輪結(jié)構、材料和工藝的創(chuàng)新設計。
XK2001機床主軸組件建模與工程分析設計
結(jié)論
對于本次設計的機床主軸來說，其特點是：扭矩變化范圍大可以滿足不同的工況要求，結(jié)構簡單，易于生產(chǎn)、使用和維修，價格低廉，而且采用結(jié)合套掛擋，可以使變速器掛擋平穩(wěn)，噪聲降低，輪齒不易損壞。在設計中通過較大的變速器傳動比變化范圍，可以滿足在不同的工況下的要求，從而達到其經(jīng)濟性和動力性的要求；變速器掛檔時用結(jié)合套，雖然增加了成本，但是使變速器操縱舒適度增加，齒輪傳動更平穩(wěn)。本著實用性和經(jīng)濟性的原則，在各部件的設計要求上都采用比較開放的標準，因此，安全系數(shù)不高，這一點是本次設計的不理想之處。但是，在以后的工作和學習中，我會繼續(xù)學習和研究變速器技術，以求其設計更加合理和經(jīng)濟。
緊張忙碌的畢業(yè)設計已經(jīng)接近尾聲，這次設計是對我大學四年來的學習的一次最綜合的檢驗，也更是一次綜合的學習過程。畢業(yè)設計不僅使我學習和鞏固了專業(yè)課知識而且了解了不少相關專業(yè)的知識，個人能力得到很大提高。同時也鍛煉了與人協(xié)作的精神，為以后我踏入社會工作打下了良好的基礎。
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致 謝
畢業(yè)設計是將大學所學的知識融合在一起，綜合運用所有的相關專業(yè)知識，是課本知識在實際中的應用。通過這次畢業(yè)設計，使我的專業(yè)知識在原有的基礎上得到更加的鞏固和提高，這離不開老師和同學們的幫助。本設計分析是在老師的指導下完成的，在分析的過程中，尹長城老師給了我很大的鼓勵，在設計分析中引導我去思考了更多的設計思路，增強了我的學習能力，與我們一起討論問題，使我對分析有了更清晰明確的認識，使我受益非淺。
畢業(yè)設計是我們專業(yè)知識綜合應用的實踐訓練，這是我們邁向社會、從事職業(yè)工作前一個必不可少的過程?！扒Ю镏惺加谧阆隆?，通過這次課程設計，我深深體會到這句千古言的真正含義。我今天認真地進行課程設計，學會腳踏實地地邁開這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會大潮中奔跑打下堅實的基礎。
說實話，畢業(yè)設計真是有點累。然而一著手清理自己的設計結(jié)果，仔細回味畢業(yè)設計的心路歷程，一種少有的成功喜悅即刻使我倦意頓消。雖然這是我剛學會走完的第一部，是我人生中的一點小小的勝利，然而它令我感到自己成熟了許多。
通過畢業(yè)設計，使我深深體會到，干任何事都必須耐心、細致。課程設計過程中，許多計算有時不免令我感到有些心煩意亂；有時應為不小心計算出錯，只能毫不留情地重做。但一想起老師平時多耐心的教導，想到今后自己應當承擔的社會責任，想到世界上因為某些細小失誤而出現(xiàn)的令世人無比震驚的事故，我不禁時刻提醒自己，一定要養(yǎng)成一種高度負責、一絲不茍的良好習慣。
經(jīng)歷了畢業(yè)設計，使我我發(fā)現(xiàn)了自己所掌握的知識是真正的貧乏，自己綜合運用所學專業(yè)知識的能力是如此的不足，幾年來學習了那么多的課程，今天才知道自己并不會用。想到這里，我真的有點心急了。
由于畢業(yè)時間的倉促，很多本來應該弄懂弄透的地方都沒有時間去細細追究來源，比如網(wǎng)格劃分的控制、坐標系的理解、求解器的選擇等，這使我明白了大學里學的只是一個大體上的方向，離實際應用還有太遠的距離。但我相信方向才是最重要的，因為方向確定了，就會用最少的精力做好事情，這對于我以后的工作至關重要。因為在實際生產(chǎn)生活中，要從事的工種是千差萬別的，只有從中找到自己最拿手，最有發(fā)展前途的崗位，個人才有更多的熱情，也最可能在自己的崗位做出一些貢獻。
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