數(shù)控車床主軸設(shè)計及Ansys分析

1、 數(shù)控車床主軸設(shè)計及ansys分析廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院本科畢業(yè)論文 本科畢業(yè)論文 數(shù)控機床關(guān)鍵零部件的設(shè)計與應(yīng)力分析design and stress analysis of cnc machine tool keycomponents 作者： 導(dǎo)師： 2011年4月 目錄 廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院本科 畢業(yè)論文 數(shù)控機床關(guān)鍵零部件的設(shè)計與應(yīng)力分析 design and stress analysis of cnc machine tool keycomponents 作者姓名： 導(dǎo)師姓名： 職 稱： 學(xué)位類別：工學(xué)本科 學(xué)位級別：學(xué)士 系 別：機電工程系 專 業(yè)：機械設(shè)計制造及自動化 學(xué) 號：2011年

2、4月 目錄i 廈門大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文中文摘要 . i abstract . ii1 緒論 . 11.1 選題背景 . 11.2 本課題的目的和意義 . 11.3 國有限元方法的發(fā)展 . 21.3.2 數(shù)控機床的發(fā)展 . 41.3.3 國課題的研究方法 . 91.5 研究數(shù)控車床主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計 . 91.5.2 車床主軸組件的三維建模 . 101.5.3 主軸的ansys分析 . 101.6 設(shè)計前提 . 101.6.1 設(shè)計要求 . 101.6.2 設(shè)計參數(shù) . 112 對主軸組件的要求 . 122.1 基本要求 . 122.2 特殊要求 . 12 ii 目錄 2.2.1 旋轉(zhuǎn)精度 . 122.2

3、.2 靜剛度 . 132.2.3 抗振性 . 132.2.4 升溫和熱變形 . 142.2.5 耐磨性 . 142.2.6 材料和熱處理 . 142.2.7 主軸的結(jié)構(gòu) . 153 主軸軸承的選擇 . 163.1 軸承的選型 . 1632軸承精度 . 183.3 軸承間隙調(diào)整和欲緊 . 193.4本設(shè)計的軸承型號以及布局 . 204傳動系統(tǒng)的設(shè)計 . 284.1電動機的選擇 . 284.1.1 電動機容量的選擇 . 294.1.2 電動機轉(zhuǎn)速的選擇 . 294.2傳動系統(tǒng)的設(shè)計 . 284.2.1 選定齒輪類型,精度等級,材料及齒數(shù) . 294.2.2 按照齒面接觸強度設(shè)計 . 294.2.3

4、 按照齒根彎曲強度設(shè)計 . 29iii 廈門大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文4.2.4 幾何尺寸計算 . 294.2.5 驗算 . 29 5主軸主要參數(shù)的計算及校核 . 2851主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 . 285.2 主軸的主要參數(shù)的計算 . 285.2.1 前軸頸直徑d1 . 295.2.2 主軸內(nèi)徑d . 295.2.3 主軸懸伸量a確定： . 305.2.4 主軸支承跨距的確定 . 315.3主軸材料及熱處理 . 345.4主軸設(shè)計方案 . 355.5軸的剛度計算 . 355.5.1軸的彎曲變形計算 . 365.5.2軸的扭轉(zhuǎn)變形計算 . 376.主軸箱體 . 397solid works三維實體設(shè)計裝配 .

5、408. 主軸部件的ansys應(yīng)力分析 . 428.1主軸靜力分析概述 . 428.2主軸ansys分析的一般過程 . 43 iv 目錄 8.3主軸的受力分析： . 448.4 主軸ansys分析的具體過程 . 478.展望與結(jié)論 . 54致 謝 . 55參考文獻 . 56 v 中文摘要中文摘要【摘要正文】將所設(shè)計的數(shù)控車床的主軸及其零部件在solidworks中對設(shè)計的主軸及其零部件進行三維建模，畫出零件圖以及裝配圖。最后將所畫的車床主軸導(dǎo)入ansys進行網(wǎng)格化分，計算出主軸所受到的力，之后施加約束和載荷，最后得出對主軸進行靜應(yīng)力分析結(jié)果，得到主軸的應(yīng)力分布，進而分析主軸的受力狀況，驗證設(shè)計

6、的合理性同時對實踐進行指導(dǎo)。 【關(guān)鍵詞】 數(shù)控車床，主軸，solid works建模，ansys應(yīng)力分析 i 廈門大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文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 d

7、esign 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, t

8、hen 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 diag

9、rams 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 spindl

10、e force status, verify the rationality of the design while practice guidance. ii 1 緒論 1 緒論1.1 選題背景隨著市場上產(chǎn)品更新?lián)Q代的加快和對零件精度提出更高的要求，傳統(tǒng)機床已不能滿足要求。數(shù)控機床由于眾多的優(yōu)點已成為現(xiàn)代機床發(fā)展的主流方向。它的發(fā)展代表了一個國家設(shè)計、制造的水平，在國本課題的目的和意義設(shè)計中通過運用所學(xué)的基礎(chǔ)課、技術(shù)基礎(chǔ)課和專業(yè)課的理論知識，生產(chǎn)實習(xí)和實驗等實踐知識，達到鞏固、加深和擴大所學(xué)知識的目的。通過設(shè)計分析比較機床的某些典型機構(gòu)，進行選擇和改進，學(xué)習(xí)構(gòu)造設(shè)計，進行設(shè)計計算和編寫技術(shù)文

11、件，達到學(xué)習(xí)設(shè)計步驟和方法的目的。通過設(shè)計查閱有關(guān)設(shè)計手冊、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和資料，達到積累設(shè)計知識和提高設(shè)計能力1 廈門大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文的目的。通過設(shè)計獲得設(shè)計工作的基本技能的訓(xùn)練，提高分析和解決工程技術(shù)問題的能力，并為進行一般機械的設(shè)計創(chuàng)造一定的條件。1.3 國有限元方法的發(fā)展hrennikoff于1942年，mchenry于1943年用線(一維)單元(桿和梁)網(wǎng)格求解連續(xù)體中的應(yīng)力，從而在20世紀(jì)40年代開始了有限元的現(xiàn)代發(fā)展。courant 1943年發(fā)表了一篇文章，提出設(shè)置變分形式的應(yīng)力解，但很多年間沒有得到廣泛的承認。后來他在構(gòu)成整個區(qū)域的三角形分區(qū)上引進分段插值函數(shù)或形函數(shù)，將此作為一種

12、得到近似數(shù)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種方法(剛度法或位移法)可能是有前途的一種，可用來分析靜不定飛機結(jié)構(gòu)。然而，他們的方程太難處理了，無法手工求解，因此只有隨著高速數(shù)字計算機的發(fā)展，這種方法才變得普遍起來。argyris和kelsey 1954年利用能量原理建立了矩陣結(jié)構(gòu)分析方法。此發(fā)展說明能量原理在有限元方法中起著重要作用。turner等人1956年首次處理二維單元。他們推導(dǎo)了桿單元、梁單元、平面應(yīng)力二維三角單元和矩形單元的剛度矩陣，并概括了通常叫做直接剛度法的過程，以得出總體剛度矩陣的步驟。隨著20世紀(jì)50年代早期高速2 1 緒論 數(shù)字

13、計算機的發(fā)展，turner等人的工作促進了用矩陣符號表示的有限元剛度方程的進一步發(fā)展。clough在1960年在用三角形單元和矩形單元進行平面應(yīng)力分析時引進了“有限元”習(xí)慣用語。melosh 1961年建立了平面矩形板彎曲單元剛度矩陣。隨后grafton和strome1963年建立了軸對稱殼和壓力容器的曲面殼彎曲單元剛度矩陣。martin于1961年，gallagher等人于1962年，melosh于1963年用建立四面體剛度矩陣的方法將有限元方法延伸到三維問題。argyris 1964研究了其他的三維單元。clough和rashid，wilson 1965年考慮了非軸對稱固體的特例。20世紀(jì)

14、60年代早期以前，大多數(shù)有限元工作是處理小應(yīng)變、小位移、彈性材料和靜載荷。然而，turner等人1960年考慮了大撓度和熱效應(yīng)分析，gallagher等人1962年考慮了材料非線性，gallagher和pad1963年還首次處理了屈曲問題。zienkiewicz等人1968年將有限元方法擴充到粘彈性問題。archer 1965年在建立一致質(zhì)量矩陣中考慮了動力分析，用于分析分布質(zhì)量系統(tǒng)，如結(jié)構(gòu)分析中的桿和梁。melosh 1963年認識到有限元方法可以借助變分公式建立，有限元方法開始用于解非結(jié)構(gòu)應(yīng)用問題。zienkiewicz和cheung 1965年，martin 1968年，wilson和n

15、ickel 1966年求解場問題，如確定軸的扭轉(zhuǎn)、流體流動和熱傳導(dǎo)。由于加權(quán)殘余法的適應(yīng)性使有限元方法得以進一步擴展，szabo和lee 1965年首次推導(dǎo)了從前已知的用于結(jié)構(gòu)分析的彈性方程，然后zienkiewicz和parekh1970年推導(dǎo)3 廈門大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文了用于瞬態(tài)場問題的方程。就是從這時開始認識到，當(dāng)直接公式和變分公式難以或不可能使用時，加權(quán)殘余法常常是適當(dāng)?shù)?。例如，lyness等人1977年將加權(quán)殘余法用于確定磁場。belytschko 在1976年考慮了與大位移非線性動力特性有關(guān)的問題，并改進了求解得出的方程組的數(shù)值技術(shù)。當(dāng)今有限元法已成為在工程分析中獲得廣泛應(yīng)用的數(shù)值計算

16、方法。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，機械領(lǐng)域已進入了計算機輔助設(shè)計(cad)、計算機輔助制造(cam)和計算機輔助工程(cae)，cae的核心都是計算分析，有限元法則是計算分析的重要手段之一。因此，將有限元方法應(yīng)用于機床設(shè)計中，將有助于提高機床的設(shè)計質(zhì)量和性能。1.3.2 數(shù)控機床的發(fā)展數(shù)控機床(numerical control machine tool)是采用了數(shù)字控制技術(shù)(numerical control簡稱nc)的機械設(shè)備，就是通過數(shù)字化的信息對機床的運動及其加工過程進行控制，實現(xiàn)要求的機械動作，自動完成加工任務(wù)。數(shù)控機床是典型的技術(shù)密集且自動化程度很高的機電一體化加工設(shè)備。第一臺數(shù)控機

17、床是由美國parsons公司與美國麻省大理工學(xué)院(mit)于1952年合作研制成功的，當(dāng)時是為了加工直升飛機螺旋槳葉片輪廓的檢查樣板。此后，其他一些國家(如德國、英國、日本、前蘇聯(lián)等)都開展了數(shù)控機床的控制開發(fā)和生產(chǎn)。1959年，美國克耐杜列克公(keaney & trecker)首次成功開發(fā)了加工中4 1 緒論 心(machining center,簡稱mc)，這是一種有自動換刀裝置和回轉(zhuǎn)工作臺的數(shù)控機床，可以在一次裝夾中對工件的多個平面進行多工序的加工(包括鉆孔、锪孔、攻絲、鏜削、平面銑削、輪廓銑削等)。20世紀(jì)60年代末，出現(xiàn)了直接數(shù)控系統(tǒng)dnc(direct nc)，即由一臺計

18、算機直接管理和控制一群數(shù)控機床。1967年，英國出現(xiàn)了由多臺數(shù)控機床連接而成的柔性加工系統(tǒng)，這便是最初的柔性制造系統(tǒng)(flexible system簡稱fms)。20世紀(jì)80年代初，出現(xiàn)了加工中心或車削中心為主體，配備工件自動裝卸和監(jiān)控檢驗裝置的柔性制造單元(flexible manufacturing cell，簡稱fmc)。近幾年，又出現(xiàn)了以數(shù)控機床為基本加工單元的計算機集成制造系統(tǒng)(computer integrated manufacturing systems，簡稱cims)，實現(xiàn)了生產(chǎn)決策、產(chǎn)品設(shè)計及制造、經(jīng)營等過程的計算機集成管理和控制。數(shù)控機床的發(fā)展趨勢是高速化和高精密化。20

19、世紀(jì)90年代以來，歐、美、日各國爭相開發(fā)應(yīng)用高速數(shù)控機床，加快機床高速化的步伐。高速主軸單元(電主軸的轉(zhuǎn)速達15000rmin一1000000 rmin)，高速且高加/減速度的進給運動部件(快移速度60mmin-120mmin，切削進給速度高達60mmin)高性能數(shù)控和伺服系統(tǒng)以及數(shù)控工具系統(tǒng)都出現(xiàn)了新的突破，達到了新的技術(shù)水平。隨著超高速切削機理、超硬耐磨長壽命刀具材料和磨料磨具、大功率高速電主軸、高加減速度的進給運動部件以及高性能控制系統(tǒng)和防護裝置等一系列技術(shù)5 廈門大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文領(lǐng)域中關(guān)鍵技術(shù)的解決，新一代高速數(shù)控機床將應(yīng)用于機械制造業(yè)。從精密加工發(fā)展到超精密加工，是世界各工業(yè)強國致力

20、發(fā)展的方向。其精度從微米級到亞微米級，乃至納米級(小于10納米)，其應(yīng)用范圍日趨廣泛。超精密加工主要包括超精密切削、超精密磨、研磨、拋光以及超精密特種加工。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對超精密加工技術(shù)不斷提出了新的要求，發(fā)展超精密加工機床，是現(xiàn)代科技發(fā)展的要求。數(shù)控車床主軸是數(shù)控車床的關(guān)鍵零件之一，它直接影響數(shù)控車床的加工性能，主軸的動態(tài)特性的好壞直接影響主軸高速化的實現(xiàn)。因此，研究數(shù)控車床主軸的動靜態(tài)特性對實現(xiàn)高速、高精度車削具有積極的意義。1.3.3 國內(nèi)外機床動靜態(tài)特性研究現(xiàn)狀主軸單元的動靜態(tài)特性包括主軸的變形、共振頻率、臨界轉(zhuǎn)速和動態(tài)響應(yīng)等，其對主軸速度和精度性能有極大的影響，早在上世紀(jì)2

21、0年代就開始了有關(guān)研究。上世紀(jì)60年代以前，基本上采用經(jīng)驗類比法進行主軸的結(jié)構(gòu)和動態(tài)性能設(shè)計。六十年代初，開始出現(xiàn)最佳跨距計算，使主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計有了很大的改進，由于計算方法和手段的限制，對動力學(xué)模型通過簡化后，只能圖解法或解析法分析，方法繁瑣，計算精度低。近20年來計算機和計算機技術(shù)的發(fā)展，主軸的動態(tài)特性研究進入了新的階段，各種計算方法相繼問世，如古典結(jié)構(gòu)分析法、傳遞矩陣法、有限差分法、有限元法和結(jié)構(gòu)修正法等。6 1 緒論 美國catholic大學(xué)gbiabch等進行了機床動態(tài)設(shè)計與控制相結(jié)合的研究，michigan大學(xué)tjiang和mchiredast在應(yīng)用有限元法和動態(tài)分析的基礎(chǔ)上，用數(shù)學(xué)

22、模型來模擬機床的連接形式，建立了機床整機的動力學(xué)模型，并對機床結(jié)合面連接件的位置和數(shù)量進行了拓撲優(yōu)化。伊朗tehran university的ramezanali mahdavinejad用有限元方法分析了在車削過程中車床和工件的穩(wěn)定性，用ansys軟件分析了車床整體的動態(tài)特性，并對tn40a車床進行了實驗?zāi)B(tài)分析。英國university of british columbia的maedaosamn等對主軸專家設(shè)計系統(tǒng)進行了研究，該系統(tǒng)利用模糊設(shè)計準(zhǔn)則，對主軸的驅(qū)動配置進行交互式的自動設(shè)計，主軸的結(jié)構(gòu)動態(tài)特性通過沿著主軸分配軸承自動地優(yōu)化。該主軸專家設(shè)計系統(tǒng)用timoshenko beam理

23、論，將能交互地預(yù)測主軸在刀尖處的頻率響應(yīng)函數(shù)。purdue university的lihong qi等對高速主軸的集成熱動力模型的求解進行了研究，并開發(fā)了綜合求解高速主軸軸承系統(tǒng)的計算機程序，用以求解軸承的剛度、接觸載荷、溫度和主軸的動態(tài)特性和響應(yīng)、溫度分布和熱膨脹等。波蘭technical university of lublin的j montusiewicz對靜壓軸承的機床主軸系統(tǒng)的計算機輔助優(yōu)化進行了研究，建立了靜壓軸承的主軸系統(tǒng)的一般模型，開發(fā)了磨床和車床的計算機優(yōu)化設(shè)計軟件包。印度的baisr.s等對鉆床的模態(tài)測試模態(tài)辨識進行了研究，建立了鉆床的有限元模型。7 廈門大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文蘭

24、州理工大學(xué)吳暉對q3808a無心車床的主軸系統(tǒng)及傳動系統(tǒng)的動力學(xué)特性進行了研究。建立了主軸系統(tǒng)基于riccati傳遞矩陣法的質(zhì)量分布梁動力學(xué)模型，獲得了機床主軸系統(tǒng)橫向振動時其固有頻率的有關(guān)信息，以及主軸系統(tǒng)主要設(shè)計參數(shù)對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響有關(guān)信息。建立了機床傳動系統(tǒng)基于riccati傳遞矩陣法的動力學(xué)模型以及與之相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，獲得了傳動系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)振動時有關(guān)其固有頻率方面的信息。昆明理工大學(xué)梁祖峰對th6350加工中心主軸系統(tǒng)進行了實驗?zāi)B(tài)分析，從理論上對模態(tài)分析、參數(shù)識別、相關(guān)的信號分析以及實驗方法進行了討論。廣東工業(yè)大學(xué)胡愛玲對高速主軸動靜態(tài)特性的有限元分析進行了研究，該課題主要以高速大功

25、率的鏜銑加工中心電主軸為研究目標(biāo)，以實現(xiàn)電主軸的高速、高加工精度入手，對電主軸的動靜態(tài)特性進行了研究。 東南大學(xué)倪曉宇，基于ansys軟件針對機床組件進行有限元分析和優(yōu)化設(shè)計的專用軟件系統(tǒng)的研究與開發(fā)。常州工學(xué)院張宇應(yīng)用有限元法建立了一個機床主軸部件的數(shù)學(xué)模型，用來計算主軸部件及各類軸類部件的動態(tài)特性。沈陽工業(yè)學(xué)院史安娜等對臥式加工中心主軸部件的動靜態(tài)特性進行了分析，主要討論了軸承預(yù)緊力和前后支承剛度對主軸固有頻率的影響。寧夏大學(xué)劉晶對某型數(shù)控機床，建立了它的主軸組件的有限元動力學(xué)模型，并對主軸單元的動態(tài)特性進行了計算分析。8 1 緒論 福州大學(xué)施孟貴應(yīng)用傳遞矩陣法原理編制程序，對c6240f

26、車床的主軸部件動態(tài)特性參數(shù)進行分析計算。齊齊哈爾第一機床廠的婁曉鐘等對125m立式車床的關(guān)鍵零部件進行了有限元分析。綜合以上文獻資料可以發(fā)現(xiàn)，國課題的研究方法1、結(jié)合數(shù)控機床設(shè)計手冊對數(shù)控機床關(guān)鍵零部件進行設(shè)計；2、用solidworks對所涉及的數(shù)控機床關(guān)鍵零部件進行三維建模；3、ansys對主軸進行應(yīng)力分析，得到主軸的應(yīng)力狀態(tài)，用于指導(dǎo)實踐。1.5 研究數(shù)控車床主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計1、主軸組件的基本要求2、車床主軸常用滾動軸承3、主軸的主要參數(shù)設(shè)計9 廈門大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文1.5.2 車床主軸組件的三維建模1、零件圖的繪制2、標(biāo)注件的選用3、裝配圖繪制1.5.3 主軸的ansys分析1、三維建模2、

27、網(wǎng)格劃分3、加載約束和載荷4、應(yīng)力分析結(jié)果1.6 設(shè)計前提1.6.1 設(shè)計要求本設(shè)計為數(shù)控機床關(guān)鍵零部件的設(shè)計與應(yīng)力分析，關(guān)鍵零部件主要由主軸箱，主軸，電動機，主軸脈沖發(fā)生器等組成。主軸是加工中心的關(guān)鍵部位，其結(jié)構(gòu)優(yōu)劣對加工中心的性能有很大的影響，因此，在設(shè)計的過程中要多加注意。主軸前后的受力不同，故要選用不同的軸承。10 1 緒論 1.6.2 設(shè)計參數(shù)參數(shù)：p=4.5kw，n=1450r/min，切削力為85n 11 廈門大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文2 對主軸組件的要求主軸組件是機床的重要組成部分之一。主軸組件通常由主軸、軸承和安裝在主軸上的傳動件等組成。車床工作時，由主軸夾持著工件直接參加表面成形運動

28、。所以主軸組件的工作性能，對加工質(zhì)量和機床生產(chǎn)率有重要影響。2.1 基本要求對車床主軸組件的要求，和一般傳動軸組件有共同之處，就是都要在一定的轉(zhuǎn)速下傳遞一定的扭矩；都要保證軸上的傳動件和軸承正常的工作條件。2.2 特殊要求主軸是直接帶著工件進行切削的，機床的加工質(zhì)量，在很大程度上要靠主軸組件保證。因此，對于主軸組件，有許多特殊要求。2.2.1 旋轉(zhuǎn)精度主軸的旋轉(zhuǎn)精度上是指裝配后，在無載荷，低轉(zhuǎn)速的條件下，主軸前端工件或刀具部位的徑向跳動和軸向跳動。主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度主要取決于各主要件，如主軸，軸承，箱體孔的12 3 對主軸組件的要求 的制造，裝配和調(diào)整精度。還決定于主軸轉(zhuǎn)速，支撐的設(shè)計和性能，

29、潤滑劑及主軸組件的平衡。通用（包括數(shù)控）機床的旋轉(zhuǎn)精度已有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定可循。2.2.2 靜剛度主軸組件的靜剛度（簡稱剛度）反映組件抵抗靜態(tài)外載荷變形的能力。影響主軸組件彎曲剛度的因素很多，如主軸的尺寸和形狀，滾動軸承的型號，數(shù)量，配置形式和欲緊，前后支撐的距離和主軸前端的懸伸量，傳動件的布置方式，主軸組件的制造和裝配質(zhì)量等。各類機床主軸組件的剛度目前尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。2.2.3 抗振性主軸組件工作時產(chǎn)生震動會降低工件的表面質(zhì)量和刀具耐用度，縮短主軸軸承壽命，還會產(chǎn)生噪聲影響環(huán)境。振動表現(xiàn)為強迫振動和自激振動兩種形式。影響抗振性的因素主要有主軸組件的靜剛度，質(zhì)量分布和阻尼（特別是主軸前支撐的阻尼）主軸

30、的固有頻率應(yīng)遠大于激動力的頻率，以使它不易發(fā)生共振。目前，尚未制定出抗振性的指標(biāo)，只有一些實驗數(shù)據(jù)可供設(shè)計時參考。13 廈門大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文2.2.4 升溫和熱變形主軸組件工作時因各相對運動的處的摩擦和攪油等而發(fā)熱，產(chǎn)生溫升，從而使主軸組件的形狀和位置發(fā)生變化（熱變形）。主軸組件受熱伸長，使軸承間隙發(fā)生變化。溫度是使?jié)櫥驼扯冉档停档土溯S承的承載能力。主軸箱因溫升而變形，使主軸偏離正確位置。前后軸承的溫度不同，還會導(dǎo)致主軸軸線傾斜。由于受熱膨脹是材料固有的性質(zhì)，因此高精度機床要進一步提高加工精度，往往受熱變形的限制。研究如何減少主軸組件的發(fā)熱，如何控制溫度，是高精度機床主軸組件的研究的主要課

31、題之一。2.2.5 耐磨性主軸組見的耐磨性是指長期保持原始精度的能力，即精度保持性。對精度有影響的首先是軸承，其次是安置刀，夾具和工件的部位，如錐孔，定心軸徑等。為了提高耐磨性，一般機床主軸上的上述部分應(yīng)淬火至硬度hrc60左右，深約1mm.2.2.6 材料和熱處理主軸承載后允許的彈性變形很小，引起的應(yīng)力通常遠遠小于鋼的強度極限。因此，選材的依據(jù)一般不用強度。14 3 對主軸組件的要求 主軸的形狀，尺寸確定之后，剛度主要取決于材料的彈性模量。各種材料的彈性模量幾乎相同，因此剛度也不是選材的依據(jù)。主軸材料的選擇主要根據(jù)耐磨性和熱處理變形來考慮。普通機床的材料通常是45號或60號優(yōu)質(zhì)中碳鋼，數(shù)控機

32、床需調(diào)質(zhì)處理。2.2.7 主軸的結(jié)構(gòu)為了提高剛度，主軸的直徑應(yīng)該大些。前軸承到主軸前端的距離（稱懸伸量）應(yīng)盡可能小一些。為了便于裝配，主軸通常做成階梯形的，主軸的結(jié)構(gòu)和形狀與主軸上所安裝的傳動件，軸承等零件的類型，數(shù)量，位置和安裝方法有直接的關(guān)系。主軸中孔用與通過棒料，拉桿或其它工具。為了能夠通過更大的棒料，車床的中空希望大些，但受剛度條件的影響和限制，孔徑一般不宜超過外徑的70%。 15 廈門大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文3 主軸軸承的選擇3.1 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(gòu)、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)控機床主軸上常用的軸承有滾動軸

33、承和滑動軸承。滾動軸承摩擦阻力小，可以欲緊，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。雖然與滑動軸承相比，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(yīng)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)能夠作軸向移動的主軸。這時用滾動軸承可以用潤滑脂潤滑，以避免漏油。由于滾動軸承有許多優(yōu)點，加之加工精度的提高，所以，一般情況下數(shù)控機床應(yīng)盡量采用滾動軸承，只有要求加工表面粗糙度數(shù)值和小時，且主軸又是水平的機床時才用滑動軸承，而本設(shè)計內(nèi)容為小型加工中心主

34、軸組件設(shè)計，所以要選用滾動軸承了。滾動軸承根據(jù)滾動體的結(jié)構(gòu)分為球軸承、圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承三大類。主軸支承分徑向和推力支承。角接觸軸承包括角接觸球軸承和圓錐滾16 3 主軸軸承的選擇 子軸承，兼起徑向和推力支承的作用。主軸軸承，可選用圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承和角接觸球軸承。主軸軸承，主要應(yīng)根據(jù)精度、剛度和轉(zhuǎn)速來選擇。為了提高精度和剛度，主軸軸承的間隙應(yīng)該是可調(diào)的。線接觸的滾子軸承比點接觸的球軸承剛度高，但在一定溫升下允許的轉(zhuǎn)速較低。下面簡述幾種常用的數(shù)控機床主軸軸承的結(jié)構(gòu)特點和適用范圍。雙列圓柱滾子軸承(nnu4900k、nn3000k)，如圖3.1所示，特點是雙列圓柱滾子軸承子軸承內(nèi)

35、圈可分離，nn3000k雙列圓柱滾子軸承外圈可分離。這類軸承多用于載荷較大、剛度要求高、中等轉(zhuǎn)速的地方。雙向推力角接觸球軸承bta-abta-b。這種軸承與雙列圓柱滾子軸承相配套，用來承受軸向載荷。角接觸球軸承(70c70ac)，這種軸承既可以承受徑向載荷又可以承受軸17 廈門大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文向載荷。常用的接觸角主要有兩種：=25，1=15，其中=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。1=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1036

36、900型），屬于超輕型。如圖3.2所示。角接觸球軸承多用于高速主軸，水接觸角的不同有所區(qū)別，=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；=15的轉(zhuǎn)速可更高一些，打扮軸向剛度較低，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。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)組的方法。圖3.2 雙列圓柱滾子軸承32軸承精度軸承的精度，分為2、4、5、6、0五級，其中2級最高，0級為普通精度級。主軸軸承以4級為主(記為p4)。高精度主軸可用p2級。要求較18 3 主軸軸承的選擇 低的主軸或三支承主軸的輔助支承可用p5級。p

37、6級和p0級一般不用。此外又規(guī)定了2種輔助精度等級sp(特殊精密級)和up(超精密級)。由于軸承的工作精度主要決定于旋轉(zhuǎn)精度，箱體孔和主軸軸頸是根據(jù)一定的間隙和過盈要求配作的。因此，軸承軸承間隙調(diào)整和欲緊主軸軸承的內(nèi)部間隙，必須能夠調(diào)整。多數(shù)軸承，還應(yīng)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，這就是軸承的欲緊。 軸承欲緊后，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，因而欲緊前只有部分滾動體和滾道接觸。欲緊后，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19 廈門大學(xué)

38、學(xué)士學(xué)位論文承的精度、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，欲緊后發(fā)熱較多，溫升較高；且太大的欲緊將使軸承的壽命降低，故欲緊要適當(dāng)。本設(shè)計為小型加工中心主軸組件設(shè)計，功率相對較小，所以取中欲緊。3.4本設(shè)計的軸承型號以及布局根據(jù)上述軸承選用的要求結(jié)合本設(shè)計的要求，軸承選用如下：后支承：圓錐孔雙列圓柱滾子軸承(nn3000k型)精度等級相當(dāng)于p5級，前支承：兩個推力球軸承(51000型)和一個圓錐孔雙列圓柱滾子軸承(nn3000k型)組配精度等級相當(dāng)于p5級，并且軸承為中欲緊，如圖3.3所示為選用軸承的安裝簡圖。 圖3.3 本設(shè)計軸承選用 20 3主軸軸

39、承的選擇 4.傳動系統(tǒng)的設(shè)計4.1電動機的選擇按照設(shè)計要求以及工作條件，選用y系列三相異步電動機，臥式封閉結(jié)構(gòu)，電壓380v。4.1.1電動機容量的選擇工作主軸功率 工作機所需電動機功率 上式中，總效率。由于此處的傳動系統(tǒng)為7級精度圓柱直齒輪傳動，根據(jù)機械設(shè)計手冊取，所以 為工作主軸功率，為工作機所需電動機功率，為傳動系統(tǒng)的 為滿足的條件，電動機的額定功率應(yīng)該取5.5kw4.1.2電動機轉(zhuǎn)速的選擇根據(jù)已知條件，主軸轉(zhuǎn)速為1450r/min，選同步轉(zhuǎn)速為3000 r/min的電動機，對應(yīng)額定功率為5.5kw，其型號為y132s1-2。將y132s1-2型電動機有關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)及相應(yīng)算得的總傳動比列于

40、表4-121 廈門大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 表4-1 綜上，選取的y132s1-2型三相異步電動機額定功率為5.5kw，滿載轉(zhuǎn)速為2900r/min，電動機中心高h=132mm。 4.2傳動系統(tǒng)的設(shè)計傳動系統(tǒng)選為齒輪傳動，設(shè)定工作壽命為15年（設(shè)每年工作300天），兩班制且工作平穩(wěn)，轉(zhuǎn)向不變。4.2.1選定齒輪類型，精度等級、材料及齒數(shù)1) 根據(jù)傳動方案，選用直齒圓柱齒輪傳動。2) 即床位一般工作機床，故選用7級精度。3) 材料選擇。選擇小齒輪材料為40cr (調(diào)質(zhì))，硬度為280hbs，大齒輪材料為45鋼(調(diào)質(zhì))硬度為240hbs，而這材料硬度差為40hbs。4) 選小齒輪齒數(shù)z1=24,大齒輪齒數(shù)

41、z2=uz1=224=48。4.2.2按照齒面接觸強度設(shè)計由設(shè)計計算公式進行試算，即22 3 主軸軸承的選擇 d1t1）確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值（1） 試選載荷系數(shù) （2） 計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 （3） 選取齒寬系數(shù)（4） 查得材料的彈性影響系數(shù)ze=189.8mpa（5） 按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限hlim1600mpa；大齒輪的接觸疲勞強度極限hlim2550mpa；（6） 計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n160n2jlh60200.721（2830015）4.147109n2n1/21.296109（7） 查得接觸疲勞壽命系數(shù)khn10.90；khn20.95（8） 計算接觸疲勞許用應(yīng)力取失效概率為1，安全系數(shù)s1，得h10.9600mpa54