插齒刀數(shù)控磨床虛擬裝配及加工動態(tài)特性分析畢業(yè)設計說明書

1、編號 本科生畢業(yè)設計插齒刀數(shù)控磨床虛擬裝配及加工動態(tài)特性分析the virtual assemblies and machining dynamic analysis of cnc grinding machine for gear shaper cutter學 生 姓 名專 業(yè)機械設計制造及其自動化學 號指 導 教 師學 院二一一年六月 摘要插齒刀作為齒輪加工的重要刀具，已經(jīng)廣泛應用工業(yè)加工中，隨著機械行業(yè)的不斷發(fā)展，對傳動的要求更加的嚴格與精確，在傳動中扮演著重要角色的齒輪成為改進的關鍵，所以對于插齒刀的研究也越來越多。本文從研究插齒刀加工制造方面出發(fā)，針對凸曲前刀面硬質(zhì)合金插齒刀的形狀特

2、點，設計了加工插齒刀凸曲前刀面的數(shù)控磨床，完成了數(shù)控磨床的建模及模態(tài)分析。對于插齒刀數(shù)控磨床的研究旨在提高凸曲前刀面硬質(zhì)合金插齒刀的加工精度與加工效率，完成對于凸曲前刀面的加工，為凸曲前刀面硬質(zhì)合金插齒刀的工業(yè)應用提供參考。關鍵詞： 數(shù)控磨床 模態(tài)分析 力學分析 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

3、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 an

4、alyse 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；mod

5、el analysis；mechanics analysis 35目錄摘要iabstractii第1章 緒論11.1 數(shù)控磨床的發(fā)展現(xiàn)狀11.2 插齒刀在工業(yè)中的應用及研究2第2章 插齒刀數(shù)控磨床52.1 插齒刀數(shù)控磨床研究的意義52.2 機床設計原則72.2.1 機床設計的基本要求和主要評定指標72.2.2 機床的方案設計92.3 導軌設計92.4砂輪軸的設計122.5支撐件的設計142.5.1 支撐件的功能142.5.2 支撐件的結構設計142.6 進給傳動系設計152.7 小結15第3章 插齒刀數(shù)控磨床的模態(tài)分析173.1 數(shù)控磨床的建模173.1.1對數(shù)控磨床進行建模173.2 模態(tài)分

6、析183.2.1 導入模型，接觸對的檢查，網(wǎng)格劃分193.2.2 對模型進行邊界的約束193.2.3 求解結果203.2.4 小結23第4章 砂輪軸受力分析244.1砂輪軸的受力分析及功率計算244.1.1 磨削類型的劃分244.1.2 磨削力的計算254.2 砂輪軸受力變形分析29結 論33參考文獻34致 謝35第1章 緒論1.1 數(shù)控磨床的發(fā)展現(xiàn)狀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類最早使用的生活技藝方法。遠在石器時代，已開始使用磨料研磨加工各種貝殼、石頭及獸骨等，用于生活和狩獵工具。青銅器出現(xiàn)以后，用磨料的加工技術得到了進一步的發(fā)展，用來制造兵器及生產(chǎn)工具，用

7、磨料研磨銅鏡已達到鏡面的要求。鐵器的出現(xiàn)，更使磨料加工成為一種普遍的工藝技巧得到應用。18世紀中期出現(xiàn)第一臺外圓磨床，用石英石、石榴石等天然磨料敲鑿成磨具，進而用天然磨料和粘土燒結成砂輪，隨后又研制成功平面磨床，應用磨削技術逐漸形成。1901年以后，相繼發(fā)明人工熔煉的氧化鋁（剛玉）、碳化硅磨料。20世紀40年代末期，人造金剛石問世。1957年研制成功立方氮化硼。超硬磨料人造金剛石砂輪與立方氮化硼砂輪的應用及磨削技術的發(fā)展，使磨削加工精度及加工效率不斷提高，磨削加工應用范圍日益擴大。解放前，我國磨床工業(yè)及磨料工業(yè)幾乎是一片空白。上海亞中機器廠（今上海第三機床廠）于1944年制造出我國第一臺外圓磨

8、床。解放后，我國相繼建立了現(xiàn)代化的磨床、磨料、磨具制造廠及專業(yè)研究所，造就了一大批從事磨床設計生產(chǎn)、磨料磨具研究、制造的專業(yè)科學技術隊伍。1955年以前，試制并生產(chǎn)了黑、綠色碳化硅和白、棕色的剛玉，陸續(xù)開發(fā)了各種磨具。1963年成功地合成出我國第一顆人造金剛石，1966年投入批量生產(chǎn)。接著，1967年成功研制立方氮化硼，1974年投入批量生產(chǎn)。20實際80年代高品位級的人造金剛石、優(yōu)質(zhì)立方氮化硼相繼問世。與此同時，我國磨床工業(yè)經(jīng)歷了50年代初的測繪、仿制階段，50年代末期開始自行設計。改革開放推動了磨床工業(yè)的巨大發(fā)展?，F(xiàn)在我國已能設計制造高精度、高效率、機電一體化的磨床，形成品種比較齊全的磨床

9、產(chǎn)品，裝備了國民經(jīng)濟各部門的制造業(yè)，并出口60多個國家和地區(qū)。當今高速高效磨削、超高速磨削在歐洲、美國和日本等一些發(fā)達國家發(fā)展很快，如德國的aachen大學、bremm大學、美國的connecticut大學等，有的在實驗室完成了vs為250m/s、 350m/s、400m/s的實驗。據(jù)報道，德國aachen大學正在進行目標為500m/s的磨削實驗研究。在實用磨削方面，日本已有磨床在工業(yè)中應用。我國對高速磨削及磨具的研究已有多年的歷史，在70年代末期便進行了80m/s 、120m/s的磨削工藝實驗；前幾年，也計劃開展250m/s的磨削實驗（但至今尚未見到這方面的報道），所以說有些高速磨削技術還只

10、是實驗而已，尚未走出實驗室，技術還遠沒有成熟，特別是超高速磨削的研究還開展的很少。在實際應用中，砂輪線速度一般還是4560m/s。隨著磨削技術的發(fā)展，磨床在加工機床中也占有相當大的比例。據(jù)1997年歐洲機床展覽會的調(diào)查數(shù)據(jù)表明，25%的企業(yè)認為磨削時他們應用的最主要的加工技術。磨床在企業(yè)中占機床的比例高達42%，車床占23%，銑床占22%，鉆床占14%。我國19491998年，開發(fā)生產(chǎn)的通用磨床有1800多種，專用磨床有幾百種，磨床的擁有量占金屬切削機床總擁有量得13%左右?？梢姡ハ骷夹g及磨床在機械制造業(yè)中占有極其重要的位置。磨床的產(chǎn)品品種眾多。磨床的主要類型有外圓磨床、內(nèi)圓磨床、平面及端面

11、磨床、坐標磨床、工具磨床、刀具刃磨磨床、導軌磨床、專門化磨床（如曲軸磨床、凸輪軸磨床、軋輥磨床等）、砂帶磨床、珩磨機、研磨機、拋光機、超精加工機、超精研拋機各種軸承磨床及專用磨床。隨著計算機技術的不斷發(fā)展，各類磨床向著cnc磨床及磨削加工中心發(fā)展。以砂輪為工具的磨削方式的磨床，有以下基本優(yōu)點：（1）主運動為砂輪主軸的旋轉。砂輪的線速度vs一般為3060m/s,cbn砂輪可高達150200m/s，最高主軸轉速達15000r/min。主軸單元是磨床的關鍵部件。對于高速高精度主軸單元系統(tǒng)應具備剛性好、回轉精度高、溫升小、穩(wěn)定性好、功耗低、壽命長、成本適中的特性。砂輪主軸單元的軸承常采用高精度滾動軸承

12、、液體靜壓軸承、液體動壓軸承、動靜壓軸承。近年來高速和超高速磨床越來越多采用電主軸單元部件。（2）為適應精密及超精密磨削要求，采用低速無爬行的高精密高速進給單元。進給單元包括伺服驅(qū)動部件、滾動部件、位置監(jiān)測單元等。進給單元是保持砂輪正常工作的必要條件，是評價磨床性能的重要指標之一。要求進給單元的運轉靈活、分辨率高、定位精度高、剛性高，動態(tài)響應快，既要有較大的加速度，又要有足夠大的驅(qū)動力。進給單元常用的方案為旋轉電動機與滾動絲杠組合的進給方案與直線伺服電機直接驅(qū)動方案。（3）磨床具有高的靜剛度、動剛度及熱剛度。砂輪架、頭架、尾架、工作臺、床身、立柱等是磨床的基礎構件，其設計制造技術是保證磨床質(zhì)量

13、的根本。（4）磨床需要有完善輔助單元。輔助單元包括工件快速裝夾、高效磨削液供給系統(tǒng)、安全防護裝置、主軸及砂輪動平衡、切削處理、吸塵及吸霧清潔裝置。1.2 插齒刀在工業(yè)中的應用及研究插齒刀作為加工高精度硬齒面齒輪的一種切齒方法，目前已經(jīng)得到廣泛的應用，如圖1-1所示，與傳統(tǒng)的磨齒、滾齒、剃齒、珩齒等硬齒面齒輪加工方法相比，在加工內(nèi)齒輪、雙聯(lián)齒輪及帶臺肩的齒輪等具有特殊結構的齒輪方面，插齒刀幾乎是唯一可用的加工方法。插齒刀按外形分為盤形、碗形、筒形和錐柄4種。盤形插齒刀主要用于加工內(nèi)、外嚙合的直齒、斜齒和人字齒輪。碗形插齒刀主要加工帶臺肩的和多聯(lián)的內(nèi)、外嚙合的直齒輪，它與盤形插齒刀的區(qū)別在于工作時

14、夾緊用的螺母可容納在插齒刀的刀體內(nèi)，因而不妨礙加工。筒形插齒刀用于加工內(nèi)齒輪和模數(shù)小的外齒輪，靠內(nèi)孔的螺紋旋緊在插齒機的主軸上。錐柄插齒刀主要用于加工內(nèi)嚙合的直齒和斜齒齒輪。圖1-1 插齒刀插齒加工相當于一對圓柱齒輪嚙合傳動過程，其中一個是工件，另一個是端面磨有前角，齒頂及齒側均磨有后角的插齒刀。加工時刀具沿工件軸向作直線往復運動以完成主運動，如圖1-2所示。插齒加工時的運動主要有：（1）切削運動：插齒刀的上、下往復運動。（2）分齒展成運動：插齒刀與工件之間應保持正確的嚙合關系。插齒刀往復一次，工件相對刀具在分度圓上轉過的弧長為加工時的圓周進給量，故刀具與工件的嚙合過程也就是圓周進給過程。（3

15、）徑向進給運動：插齒時，為逐步切至全齒深，插齒刀應有徑向進給量f。圖1-2 插齒加工隨著cnc技術和插齒技術在生產(chǎn)中的大量應用，特別是硬齒面齒輪的應用，對插齒刀提出了更高的要求，在國內(nèi)外的研究中，主要從三方面對其進行改進，第一：改變插齒刀現(xiàn)有設計誤差的傳統(tǒng)設計方案，但由于目前我國設備落后，該新型插齒刀的工業(yè)實現(xiàn)較困難，對小批量生產(chǎn)更是不經(jīng)濟，因而目前難以推廣應用；第二：改進插齒刀切削部分的結構形狀。主要是改變前刀面形狀即前刀面不再是單純的圓錐面而是特別的形狀。如雙圓錐形前刀面的插齒刀，特形曲線外形(凸或凹)前刀面的插齒刀，變前刀面和后刀面的插齒刀，成形前刀面的插齒刀等。這些插齒刀提高了主切削刃

16、齒形的精度并增強了刀具的耐用度，是屬于有發(fā)展前途的新型插齒刀；第三：對現(xiàn)有插齒刀的某些齒形參數(shù)加以修正，以減少設計誤差并盡可能改善刀具的切削性能。近年來在生產(chǎn)實踐中獲得的這方面的成果多種多樣:有重新修正齒角的，有對齒形角進行二次修正的，有把頂刃后角增為9°并精化造形誤差的，還有一些綜合各種參數(shù)運用優(yōu)化技術極小化造形誤差的。如此多的齒形修正方法，本質(zhì)上只是對影響齒形精度或刀具耐用度的壓力角、基圓半徑、后角、變位系數(shù)、齒厚等的修正，在綜合提高插齒刀的齒形精度和切削性能方面，還顯得不夠完善，因而在生產(chǎn)應用中至今未能得到統(tǒng)一。 第2章 插齒刀數(shù)控磨床2.1 插齒刀數(shù)控磨床研究的意義插齒是靠切

17、削運動和展成運動漸次形成齒面的，普通插齒刀的前刀面一般磨成內(nèi)凹的圓錐面，為了使刀刃重磨手刀刃形狀不變，一般將頂后刀面做成圓錐面，兩個側刃后刀面分別做成旋向相反的漸開線螺旋面。普通插齒刀只能加工用于加工中硬度齒面，而對于經(jīng)過粗加工并經(jīng)過熱處理而獲得硬度在hrc45以上的硬齒面，特別是對于那些齒面淬火后的具有特殊結構的插齒面，使用硬質(zhì)合金插齒刀則可以解決淬硬齒輪的精加工問題。與其它加工方法相比，使用硬質(zhì)合金插齒刀加工硬齒面齒輪具有下列優(yōu)點：（1）對于直齒外齒輪、內(nèi)齒輪、雙聯(lián)（三聯(lián)）或帶臺肩的具有特殊結構的硬齒面齒輪都能方便地進行加工。（2）在加工一般精度的齒輪時，與傳統(tǒng)的磨齒工藝相比,其加工設備簡

18、單、操作方便、效率高、成本低；與傳統(tǒng)的滾齒工藝相比,，其工藝過程簡、單操作容易、加工成本較低。常用的硬質(zhì)合金插齒刀的頂后刀面和兩個側刃后刀面與普插齒刀相同主要不同是它的前刀面為外凸的正圓錐面, 使刀具的頂刃側刃形成徑向負前角。這樣做意在提高硬質(zhì)合金切削部分的抗沖擊性能提高頂刃側刃的抗崩刃能力延長硬齒面插齒刀的使用壽命。但是不能把插齒刀負前角的絕對值取得很大。因為增大插齒刀的前角后,將增大插齒刀的齒形誤差, 也就會增大被加工齒輪的齒形誤差, 難以加工出高精度的齒輪?，F(xiàn)有的錐形前刀面硬質(zhì)合金插齒刀, 由于在構形理論與方法上基本與傳統(tǒng)插齒刀相同, 因此存在兩方面的不足：（1）徑向負前角的絕對值太小,

19、 一般只能取到-5°。不僅有礙于硬質(zhì)合金材料刀具固有性能的充分發(fā)揮, 還因微崩刃等原因而使刀具壽命縮短。（2）硬齒面插齒刀的構形精度太低, 即使，=-5°，由于前角的存在而引起的齒形誤差比aa級標準的插齒刀所允許的誤差大得多, 不能保證加工出高精度的硬齒面。 圖2-1 硬質(zhì)面插齒刀針對上述問題, 本文分析的硬質(zhì)合金插齒刀的前刀面采用凸曲面的形狀,即用凸曲的前刀面取代原有的圓錐形表面, 左、右側后刀面仍為漸開螺旋面, 這樣插齒刀的左右側刃是由凸曲的前刀面與漸開螺旋面的左右側后刀面相交形成的； 插齒刀的頂刃后刀面仍然采用的是圓錐面, 構成的頂刃后角選用6°, 這樣頂刃

20、就是由凸曲的前刀面與頂刃后刀面（圓錐面）相交而形成。圖2-1為加工形成的刀具前刀面形狀，從圖中我們可以明顯看出凸曲前刀面插齒刀與錐基波面插齒刀在齒形方面的不同。硬質(zhì)合金插齒刀的左、右側后刀面為漸開線螺旋面，頂后刀面是圓錐面，這兩個面容易加工。但是前刀面采用了凸曲面，它的加工是這種插齒刀制造的關鍵，對于硬質(zhì)合金插齒刀的前刀面，首先將其加工成錐形面，在此基礎上再加工出凸曲面，圖2-2為凸曲前刀面的加工。圖2-2 加工現(xiàn)場如圖2-2所示，小砂輪在電主軸的帶動下高速旋轉，沿插齒刀的軸向方向來回運動，插齒刀自身繞著軸旋轉，但速度特別慢。就這樣，在砂輪軸的往復運動和插齒刀軸的相互擬合下，加工出凸曲前刀面，

21、凸曲面展開后砂輪軌跡特征點擬合軌跡如圖2-3所示，凸曲前刀面插齒刀模型如圖2-4所示。圖2-3 凸曲面擬合圖圖2-4 凸曲前刀面插齒刀2.2 機床設計原則2.2.1 機床設計的基本要求和主要評定指標（一）機床的加工工藝范圍機床的工藝范圍主要指機床的工藝可能性，即機床適應不同生產(chǎn)要求實現(xiàn)過程的能力。在設計機床時，決定機床工藝范圍的主要依據(jù)是該機床的類型和用途，取決于加工對象、生產(chǎn)批量和生產(chǎn)要求等因素。不同類型的機床，設計時考慮其工藝范圍的側重點不同。通用機床主要考慮萬能性和擴大工藝范圍；專門化機床主要考慮對特定加工的適應性；專用機床工藝范圍單一，主要考慮適應大批大量生產(chǎn)要求，側重經(jīng)濟性；組合機床

22、主要考慮多工序集中或分散程度和高效率；數(shù)控機床主要考慮實現(xiàn)柔性自動化加工，兼有高效率、高精度、高柔性的特點。工藝范圍主要從下列四方面分析：（1） 機床可完成的工序種類（加工工藝方法）；（2） 加工零件的類型和尺寸范圍；（3） 切削用量的可能范圍；（4） 能加工的工件材料和毛坯種類。我們所設計的機床屬于針對插齒刀的數(shù)控磨床，其功能主要是加工插齒刀凸曲前刀面，所以應該屬于專用機床范圍。專用機床是專為加工某種零件的一個或幾個固定工序服務的，通常多用于加工成批、大批、大量生產(chǎn)。專用機床的特點：（1） 加工對象專一，加工工序特定，工藝范圍單一。（2） 自動化程度和生產(chǎn)率較高。（3） 可根據(jù)特定的加工條件

23、和工藝分析，直接確定機床的運動參數(shù)和動力參數(shù)，主傳動系統(tǒng)比通用機床簡單得多。（4） 在選擇切削用量時，刀具壽命往往會成為限制因素，所以必須進行刀具壽命核算。通常應保證換刀間隔時間不低于8小時，或者不低于4小時，但此時應作方案比較和成本計算，按經(jīng)濟分析結果做出選擇。（5） 在大批大量生產(chǎn)中，專用機床應力求便于自動上下料及納入自動線。（二）數(shù)控機床的特點數(shù)控機床與非數(shù)控的普通機床在加工方法和完成工序內(nèi)容等工藝上有許多相似之處，不同點主要表現(xiàn)在控制方式上。數(shù)控加工要把在普通機床加工時由操作者考慮和決定的操作內(nèi)容，按規(guī)定的數(shù)碼形式編寫程序并存儲在存儲器上。加工時存儲器上的數(shù)碼信息輸入控制系統(tǒng)，機床按所

24、編程序進行運動，自動加工出要求的零件。因此，數(shù)控機床加工有兩個本質(zhì)上的特點：（1） 數(shù)控加工的關鍵在編程：本來由操作者在加工中靈活掌握并可通過適時調(diào)整來處理的許多工藝問題，在數(shù)控加工時就變?yōu)榫幊淘O計和安排的內(nèi)容。數(shù)控機床自動化程度雖高，但目前受自適應調(diào)整技術水平的限制，要求工藝內(nèi)容相當嚴密地體現(xiàn)在編程中。（2） 數(shù)控機床加工范圍適應性：數(shù)控機床最適宜占機械加工總量70%80%的多品種小批量或中批量生產(chǎn)中比較復雜的零件。其優(yōu)點是：自動化程度高，加工的零件一致性好、質(zhì)量穩(wěn)定，綜合生產(chǎn)率較高，節(jié)省復雜的工裝、便于產(chǎn)品研制，便于實現(xiàn)計算機輔助制造。與普通機床相比也存在著價格高，單件加工成本較高，維修難

25、度較大等問題。因此，國內(nèi)發(fā)展了一些自動化程度較低的經(jīng)濟型數(shù)控機床用于形狀較簡單和精度要求較低的零件加工。（3） 機床的靜態(tài)精度（1） 幾何精度 幾何精度是指機床在未受外載荷、靜止或運動速度很低時的原始精度，它包括各主要零件部件間相互位置與相對運動軌跡的精度和主要零件的形位精度，如工作臺面的平行度、主軸的軸向竄動和徑向圓跳動、工作臺移動的直線度等。幾何精度主要取決于機床零部件的加工和裝配質(zhì)量。（2） 運動精度 運動精度是指機床在以工作速度運動時主要工作部件的幾何位置精度，包括 主軸的回轉精度、直線移動部件的位移精度及低速運動時速度的不均勻性等。（3） 傳動精度 傳動精度是指機床內(nèi)聯(lián)系傳動鏈兩端件

26、之間的相對運動的準確性。對于兩端件為“回轉-回轉”式傳動鏈，需要規(guī)定傳動角位移誤差；對于兩端件為“回轉-直線”式傳動鏈，需要規(guī)定傳動線位移誤差。傳動精度主要取決于傳動鏈各元件特別是末端件的加工和裝配精度以及傳動鏈設計的合理性。（4） 位置精度 位置精度是指機床有關部件在所有坐標中定位的準確性，實際位置與要求目標位置的偏差稱為位置誤差。位置精度的評定項目包括定位精度。數(shù)控機床的位置精度決定了工件的加工精度。（5）精度保持性 機床精度保持性是指機床在生命周期內(nèi)保持其原始精度為合格精度的能力。該項指標由機床某些關鍵零件的首次大修期決定。為了提高這些零件的耐磨性，必須注意選材、熱處理、潤滑與防護等。對

27、于高精度機床，精度保持性是一項重要的評價指標。機床的壽命就是保持其應具有加工精度的時間。 2.2.2 機床的方案設計 機床的方案設計是機床總體設計中的重要部分，主要包括以下內(nèi)容：（1）機床工藝方案的設計，即要決定機床的加工工藝方法、工件在機床上的加工工藝過程，確定合理的切削用量，研究工件在機床上的裝夾方法等。（2）機床的運動和傳動方案設計，研究機床表面成形運動的分配方案，決定機床的總體布局結構及各部件結構之間的聯(lián)系方式，在此基礎上決定機床的傳動形式。（3）決定機床的承載結構形式，設計機床的總體部件。（4）設計機床的操作與控制方案等。機床的方案必須滿足用戶提出的各種要求，如機床的加工范圍、工件加

28、工精度、生產(chǎn)率和經(jīng)濟性等；必須確保既定工藝方案所要求的工件和刀具之間的相對運動，在經(jīng)濟合理的條件下，盡量簡化傳動系統(tǒng)，以提高效率和傳動精度最大限度地提高機床系列化和部件通用化的程度，確保機床具有與所要求的加工精度相適應的剛度、抗振性、熱變形和噪聲水平，必須考慮利用新技術。2.3 導軌設計 導軌的功能是承受載荷和導向。它承受安裝在導軌上的運動部件及工件的質(zhì)量和切削力，運動部件可以沿導軌運動。運動的導軌稱為動導軌，不動的導軌稱為靜導軌或支撐導軌。動導軌相對于靜止導軌可以做直線運動或回轉運動。導軌按結構形式可以分為開式導軌和閉式導軌。開始導軌是指在部件自重和載荷的作用下，運動導軌和支撐導軌的工作面始

29、終保持接觸、貼合。其特點是結構簡單，但不能承受較大的顛覆力矩。閉式導軌借助于壓板使導軌能承受較大的顛覆力矩作用。如車床床身和床鞍導軌。當顛覆力矩m作用在導軌上時，僅靠自重已不能使主導軌面始終接觸，需要壓板形成輔助導軌面，保證支撐導軌與動導軌的工作面始終保持可靠的接觸。導軌的常用材料有鑄鐵、鋼、有色金屬、塑料等，隨著高效自動化、數(shù)控技術、高精度精密機床的發(fā)展，促使機床導軌材料的構成比發(fā)生了顯著的變化。總趨勢可概括為：與采用鑄鐵合金化導軌相比，采用表面熱處理強化的導軌有增多的趨勢，其中鑲鋼導軌的增加尤為明顯；與滑動導軌相比，滾動導軌所占比例增加，與金屬導軌相比，塑料導軌的增加特別明顯。(1)鑄鐵導

30、軌有良好的抗振性、工藝性和耐磨性，因此應用最廣泛?；诣T鐵、孕育鑄鐵常進行表面淬火來提高硬度，如高頻淬火、電接觸淬火硬度為5055hrc，耐磨性提高12倍，常用在車床、銑床、磨床上。為提高導軌的力學性能和耐磨性，在鑄鐵中加入不同合金元素，生成高磷鑄鐵、磷銅鈦鑄鐵、釩鈦鑄鐵等，他們具有良好的力學性能和耐磨性，多用在精密機床，如坐標鏜床和螺紋磨床上。(2)鑲鋼導軌為提高導軌的耐磨性，采用淬火鋼和氮化鋼的鑲鋼支承導軌，抗磨損能力比灰鑄鐵導軌提高510倍。(3)塑料導軌具有摩擦因素低、耐磨性高、抗撕傷能力強、低速不易爬行、運動平穩(wěn)、工藝簡單、化學性能好、成本低等特點。在各類機床都有應用，特別是在精密、數(shù)

31、控、大型、重型機床的動導軌上。按導向軌跡，滑動導軌可分為直線滑動導軌和圓周運動滑動導軌。直線導軌的截面形狀（如圖2-5）：直線導軌的基本截面形狀有三角形、矩形、燕尾形及圓形截面四種。他們的導向和支承作用，主要通過m 、n、 j3個平面和1個頂角來實現(xiàn)。 三角形導軌 矩形導軌 圓形導軌 燕尾槽形導軌圖2-5 導軌截面圖機床直線運動導軌通常由兩條導軌組合合成，根據(jù)不同要求，機床導軌主要有如下形式的組合：（1） 雙三角形導軌（圖2-6）圖2-6（2）雙矩形導軌（圖2-7）圖2-7（3） 三角形平導軌組合（圖2-8）圖2-8（4） 三角形矩形組合（圖2-9）圖2-9（5） 平平三角形組合（圖2-10）

32、圖2-10根據(jù)插齒刀數(shù)控磨床的需要，我們選擇了三角形矩形組合，材料為鑄鐵淬火導軌。其長度為1591mm。其形狀如圖2-11，承受載荷的面為左端的三角形導軌和右邊的矩形導軌，導軌主體鑄造而成。圖2-11 機床導軌導軌與主機床支撐之間用8個16的螺釘固定在一起，導軌左側去掉長度為300mm長的三角形導軌面，用來固定安裝減速器及主軸,導軌前面可以用螺釘固定絲杠電機和絲杠。導軌面采用刮磨獲得，表面粗糙度達到0.4m，導軌直線度為0.01/1000mm。2.4砂輪軸的設計在磨削加工中，砂輪為磨削的主運動，砂輪軸的高速旋轉將消耗很大的功率，而且砂輪軸的穩(wěn)定性及其加工特性，將會決定其加工零件的精度及表面質(zhì)量

33、。因此，在數(shù)控磨床的砂輪軸選擇中，我們選擇了電主軸，電主軸作為高速切削里面的重要部件，由于其優(yōu)良的性能已被廣泛應用在機械加工中，選擇的電主軸功率為45kw，其轉速為800012000 r/min。砂輪是磨削中的刀具，對砂輪的選擇也非常重要。決定砂輪磨削特性的主要有磨料的種類、磨料的粒度、磨具的硬度、結合劑、磨具的組織和磨具的形狀和尺寸。針對于硬質(zhì)合金插齒刀的凸曲前刀面的加工，我們選擇了非標準形狀的人造金剛石磨料，其粒度為180，濃度為10%，砂輪規(guī)格為21.58mm×10.5mm×7.5mm。砂輪軸如圖2-12所示。圖2-12 砂輪軸砂輪軸的夾緊方式如圖2-13，砂輪主軸有

34、一段是圓錐形的，砂輪的內(nèi)孔也是圓錐的，這樣設計是為了安裝時固定砂輪的左端面，砂輪的右端面靠彈簧墊圈和雙螺母固定，彈簧套裝在帶有外螺紋的套筒中，鎖緊螺母固定砂輪主軸于彈簧套中。鎖緊螺母和彈簧套、套筒的共同作用下，固定砂輪軸的左端面。圖2-13 砂輪軸的結構圖2.5支撐件的設計2.5.1 支撐件的功能機床的支撐件是指床身、立柱、橫梁、底座等大件，相互固定連接成機床的基礎和框架。機床上其它零部件可以固定在支撐上，或者工作時在支撐件的導軌上運動。因此，支撐件的主要功能是保證機床的各零部件之間的相互位置和相對運動精度，并保證機床有足夠的靜剛度、抗振性、熱穩(wěn)定性和耐用度。所以，支撐件的合理設計是機床設計的

35、重要環(huán)節(jié)。支撐件應滿足的基本要求：（1） 應具有足夠的剛度和較高的剛度-質(zhì)量比；（2） 應具有較好的動態(tài)特性，包括較大的位移阻抗和阻尼，整機的低階頻率較高，各階頻率不致引起結構共振，不會因薄壁振動而產(chǎn)生噪聲；（3） 熱穩(wěn)定性好，熱變形對機床加工精度的影響較??；（4） 排屑通暢、吊運安全，并具有良好的結構工藝性。2.5.2 支撐件的結構設計支撐件是機床的一部分，因此設計支撐件時，應首先考慮所屬機床的類型、布局及常用支撐件的形狀。在滿足機床中作性能的前提下，綜合考慮其工藝性。還要根據(jù)其使用要求，進行受力和變形分析，在根據(jù)受的力和其它要求（如排屑、吊運、安裝其它零件等）進行結構設計，初步?jīng)Q定其形狀和

36、尺寸。然后，可以利用計算機進行有限元計算，求出其靜態(tài)剛度和動態(tài)特性，再對設計進行修改和完善，選出最佳結構形式，既能保證支撐件具有良好的性能，又能盡量減輕重量，節(jié)約金屬。根據(jù)實際的需要，我們選擇了用灰鑄鐵來鑄造底座，鑄鐵鑄造性能好，容易獲得復雜結構的支撐件，同時鑄鐵的內(nèi)摩擦力大，阻尼系數(shù)大，使振動衰減的性能好，成本低。底座的形狀如圖2-14所示。圖2-14 機床底座2.6 進給傳動系設計進給傳動系統(tǒng)一般由動力源、變速機構、換向機構、運動分配機構、過載保險機構、運動轉換機構和執(zhí)行件等組成。進給傳動可以采用單獨電動機作為動力源，便于縮短傳動鏈，實現(xiàn)幾個方向進給運動和機床自動化，也可以與主傳動共用一個

37、動力源，便于保證主傳動和進給運動之間的嚴格傳動關系，適用于有內(nèi)聯(lián)傳動鏈的機床。進給傳動系設計應滿足如下的基本的要求：（1） 應具有足夠的靜剛度和動剛度；（2） 具有良好的快速響應性，做低速進給運動或微量進給時不爬行，運動平穩(wěn)，靈敏度高；（3） 抗振性好，不會因摩擦自振而引起傳動件的抖動或齒輪傳動的沖擊噪聲；（4） 具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍，保證實現(xiàn)所要求的進給量，以適應不同的加工材料，使用不同刀具，滿足不同的零件加工要求，能傳動較大的轉矩；（5） 進給系統(tǒng)的傳動精度和定位精度要高；（6） 結構簡單，加工和裝配工藝性好。調(diào)整維修方便，操縱輕便靈活。在數(shù)控磨床所采用的進給系統(tǒng)中，我們采用以下方式：z方

38、向的進給有單獨的伺服電機，電機與絲杠通過聯(lián)軸器連接在一起，絲杠的左右兩端固定在z軸導軌上，絲杠與溜板箱之間通過滾珠絲杠螺母連接，如圖2-15所示。圖2-15 進給系統(tǒng)2.7 小結機床的主軸采用電機與變速箱相結合的方式，帶動主軸旋轉，整個系統(tǒng)采用了數(shù)控系統(tǒng)，機床主軸采用knd-1000t數(shù)控系統(tǒng),具有主軸伺服控制功能。機床防護采用半防護，導軌采用另外的防護。機床的整體設計圖如圖2-16所示。圖2-16 插齒刀數(shù)控磨床第3章 插齒刀數(shù)控磨床的模態(tài)分析3.1 數(shù)控磨床的建模本章主要介紹了插齒刀數(shù)控磨床的模態(tài)分析，利用catia建模，然后導入ansys當中，對其進行網(wǎng)格劃分及材料屬性的定義，邊界和接觸

39、的處理，然后進行模態(tài)分析，求得其固有頻率和前六階振型。插齒刀數(shù)控磨床，是一種針對插齒刀錐基波形前刀面進行加工的專用設備，因為前刀面錐基波形的精度直接影響到插齒刀的使用壽命及其加工齒輪時的精度，所以，機床的自身的精度特別重要。振動現(xiàn)象是機械結構系統(tǒng)經(jīng)常遇到的問題。幾乎所有的結構系統(tǒng)都不希望有振動發(fā)生, 振動會造成結構疲勞和破壞。然而, 結構本身具有某種程度的剛性, 故其固有振動頻率及模態(tài)是機械結構設計必須理解的特性之一, 進而避免激振頻率和結構固有頻率相同, 以防止共振現(xiàn)象，模態(tài)分析用于確定設計中的結構或部件的振動特性(固有頻率和振型), 同時也是其它更詳細的動力學分析的起點, 例如瞬態(tài)動力學分

40、析、諧振響應分析、譜分析,故模態(tài)分析的方法及流程是非常重要的。固有頻率作為一項重要的指標，在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中已被越來越多的應用到，下面就針對插齒刀數(shù)控磨床進行模態(tài)分析。3.1.1對數(shù)控磨床進行建模利用catia軟件，對數(shù)控磨床進行建模，在保證不影響計算結果的情況下，為減少運算時間和運算的復雜性，在建模過程中略去了某些次要的環(huán)節(jié)（如圓角，凸緣，銷孔），由于機床的外罩對其影響不是很大，所以，我們省略了所有外罩，圖3-1 機床圖只保留了主體部分。數(shù)控機床的主體部分包括底座、導軌、減速箱、主軸、電機、滑塊等（圖3-1）。機床各個部件之間并不是固接在一起的, 而是通過某種方式連接在一起, 如床身與立底

41、座之間通過螺栓連接; 床身與工作臺、導軌與滑動箱、滑動箱與主軸箱之間均采用導軌連接。機床中各個結合面的接觸剛度對整機的影響很大, 因此有限元模型中結合面接觸剛度的處理直接影響最后的計算結果。3.2 模態(tài)分析在進行結構動力學分析的實際運用中,通常采取的方法是將連續(xù)系統(tǒng)離散化為只有有限個自由度的系統(tǒng),由此求出連續(xù)系統(tǒng)的近似解。這些離散化的方法中有集中質(zhì)量法、假設模態(tài)法、模態(tài)綜合法和有限元法。集中質(zhì)量法雖然做法簡單,但如何選取各個集中點以及如何配置各點的質(zhì)量,才能使所得結果比較接近于實際情況,這都需要經(jīng)驗或?qū)嶒灥膯⑹?缺乏一般的理論指導。假設模態(tài)法和模態(tài)綜合法的精度在很大程度上取決于所選擇的結構或子

42、結構的假設模態(tài),對于復雜結構,這種假設模態(tài)難以找到,并且對于不同的結構沒有通用性。而有限元法則是對每個單元取假設模態(tài),由于單元的數(shù)目通常比較大,假設模態(tài)就可以取得非常簡單;而且它以節(jié)點位移作為系統(tǒng)的廣義坐標,可以降低系統(tǒng)微分方程的耦合程度,給用計算機求解帶來方便,所以有限元法已成為分析復雜結構的有效方法和手段。本文就是采用有限元法,在商品化軟件ansys平臺上對插齒刀數(shù)控磨床進行了動態(tài)特性分析。由于機體結構極為復雜, 所以不可能用解析法求得其振動模態(tài)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動方程可寫為 m x+ kx=0 (1) 式中:m為機體有限元模型的總體質(zhì)量矩

43、陣, 為一正定矩陣；k為機體有限元模型的總體剛度矩陣, 此處由于所有剛體自由度全被約束掉, 因此為一正定矩陣; 為機體振動的位移向量。于是插齒刀數(shù)控磨床的自由振動的各階固有頻率 ( i= 1, 2, 3, n。n 為機體有限元模型的自由度數(shù)) 可由以下特征方程求得: k-²m=0 (2)式中: 為機體自由振動的固有頻率。當固有頻率i為特征方程式(2)的重根時,把其代入如下方程, (k-²m)= 0 (3)可解得其對應的各振型。當x是方程(2)的單根時, 將其代入特征矩陣 b = k- ²m (4)中, 求出該特征矩陣的伴隨矩陣 b =adj (k- ²m

44、) (5)則該伴隨矩陣的任一非零列向量即為固有頻率所對應的振型。3.2.1 導入模型，接觸對的檢查，網(wǎng)格劃分導入模型之后，要對接觸對進行檢驗，接觸對也直接影響到計算的準確性，所以要對接觸對進行檢查。網(wǎng)格劃分對有限元分析非常重要，細密的網(wǎng)格劃分可以使結果更精確，但會增加cpu的計算時間，需要更大的存儲空間。修改接觸對，著重在于修改那些本來應該有滑移，但自動生成為連接的，如果不修改會對結果產(chǎn)生一定的影響，對機床進行網(wǎng)格劃分后得到的數(shù)據(jù)為，有238984個節(jié)點，119311個單元（圖3-2）。 圖3-2 經(jīng)過網(wǎng)格劃分之后的機床 3.2.2 對模型進行邊界的約束影響幾何體固有頻率的條件主要有四類，彈性

45、模量和泊松比，材料密度，幾何體的形狀以及幾何體的外界約束條件，在ansys中導入幾何體后，首先就要對幾何體的材料屬性進行定義，在此分析中，底座、導軌、滑塊、減速箱采用灰鑄鐵，灰鑄鐵的彈性模量為1.0×e¹¹，泊松比為0.28，密度為7200m³，其他的部分主要采用系統(tǒng)默認的結構鋼，結構鋼的彈性模量為2.0×e¹¹，泊松比為0.3，密度為7850m³.對于機床而言，其底面的墊鐵與地面相接觸，所以在約束過程中，指定底面為固定面，主軸電機的端面也設置為固定。 3.2.3 求解結果對機床進行模態(tài)分析之后得到六階振型，振型的

46、大小只是一個相對的量值（位移相對值），它表征的是各點在某一階固有頻率上振動量值的相對比值，反映該固有頻率上振動的傳遞情況，并不反映實際振動的數(shù)值，模態(tài)分析計算結果如表：表3-1 床身結構的前6階固有頻率和振型階次固有頻率振型1118.69砂輪軸出現(xiàn)較大的變形，整體前后振動2180.34主軸及減速箱出現(xiàn)較大振動3195.72整體出現(xiàn)左右振動，主軸變化明顯4209.28滑板和導軌出現(xiàn)較大震動，絲杠振動明顯5256.66底座局部振動6261.03主軸出現(xiàn)較大的振動從計算結果和振型圖來看, 插齒刀數(shù)控磨床前6 階固有頻率的振動主要發(fā)生在砂輪軸和以主軸、導軌為一體的這幾個大件上, 特別是在第六階振型中，

47、主軸出現(xiàn)了大幅度的振動，底座的振動相對較小，比較平穩(wěn)。所以，主軸、砂輪軸、導軌是機床的薄弱環(huán)節(jié)，如果設計不當，及外界所給的激勵不合適，機床將會出現(xiàn)大的振動，將嚴重影響機床的加工精度。絲杠的振動同時也不可忽略，絲杠是保證傳動精度的主要部件，在第四階振型中，絲杠出現(xiàn)了大的振動。了解了這些之后，我們在設計過程中就要對結構進行合理的設置，以達到實際生產(chǎn)中的要求。下圖為機床六階模態(tài)振型圖：圖3-3 機床第一階模態(tài)振型圖圖3-4 機床第二階模態(tài)振型圖圖3-5 機床第三階模態(tài)振型圖圖3-6 機床第四階模態(tài)振型圖圖3-7 機床第五階模態(tài)振型圖圖3-8 機床第六階模態(tài)振型圖3.2.4 小結本文利用通用有限元分析

48、方法對插齒刀數(shù)控磨床模態(tài)進行分析, 分析了數(shù)控磨床的模態(tài)特性以及相應的振型, 為研究插齒刀數(shù)控磨床的振動提供了基礎, 為了解加工中心結構本身具有的頻率和振型特性提供了參考，將避免在使用中因共振因素造成不必要的影響。第4章 砂輪軸受力分析 砂輪軸是磨削中的關鍵部件，其受力和變形將會影響到加工工件的精度和質(zhì)量。本章從磨削力角度出發(fā)，利用經(jīng)驗公式求解磨削力的大小，推導出功率的大小，并利用有限元分析方法求解砂輪軸在外力作用下的變形。 隨著制造業(yè)不斷的發(fā)展，以及計算機不斷的普及，數(shù)控機床越來越多的應用到制造業(yè)中，伴隨著高精度，高速度，高質(zhì)量 ，智能化數(shù)控機床的應用，產(chǎn)品的質(zhì)量與精度也越來越高。先進的檢測

49、技術及設計方法應運而生。插齒刀數(shù)控磨床，主要針對具有凸曲前刀面的插齒刀而設計，精度要求非常高。砂輪由電主軸帶動，轉速達到800012000r/min，所以其精度成為影響插齒刀凸曲前刀面精度的主要因素，對其受力及變形的分析就顯得非常重要。4.1砂輪軸的受力分析及功率計算砂輪軸的旋轉運動是插齒刀數(shù)控磨床的主運動，依靠砂輪的高速旋轉，切除插齒刀上多余的材料，求解砂輪軸的功率是為了在選用電機時作為參考。砂輪軸的軸心比較的細，其直徑尺寸只有10mm，因此，必須對砂輪軸做出力學的分析，以防止其再加工過程中出現(xiàn)較大的變形，影響表面的加工質(zhì)量。4.1.1 磨削類型的劃分磨削的類型主要有，外圓磨削、周邊平面磨削

50、、端面磨削。其運動形式如圖4-1：圖4-1 磨削類型根據(jù)插齒刀數(shù)控磨床的工作性質(zhì)，利用小砂輪來加工插齒刀凸曲前刀面，我們現(xiàn)在假設其為外圓磨削，采用第一種方式。圖4-2為砂輪對工件進行加工，我們假設插齒刀前刀面需要加工的面的寬度為工件的寬度，工件的直徑為105mm，工件線外徑的速度25mm/min。 圖4-2 砂輪加工圖4.1.2 磨削力的計算磨削時作用于工件和砂輪之間的力稱為磨削力，在一般的情況下，磨削力可以分解成為三個分力，即ft切向磨削力（砂輪旋轉的切線方向）fn法向磨削力（砂輪和工件接觸面的法線方向）fz軸向磨削力（縱向進給方向）切向磨削力ft是確定磨床電動機功率的主要參數(shù)，為主磨削力；

51、法向力fn作用于砂輪的切入方向，壓向工件，引起砂輪軸和工件的變形，加速砂輪鈍化，直接影響工件精度和加工便面質(zhì)量；軸向磨削力fz作用于機床的進給系統(tǒng)，但與ft和fn數(shù)值相比很小，可以不用考慮。在磨削中，fn大于ft ，fn/ft其比值約等于1.54，這是磨削的一個顯著特點。fn與ft的比值隨著工件材料，磨削方式的不同而不同。由于磨削過程很復雜，影響磨削力大小的因素也很多，而且目前對磨削機理研究還在繼續(xù)深入。因此，理論計算的公式準確度不是很高，在生產(chǎn)中常用測力儀或測力裝置由實驗方法得到，在這里，我們主要利用經(jīng)驗公式，對磨削力作出大概的計算。在實際的工程應用中，當前仍以采用經(jīng)驗公式為主，多年來，各國

52、學者都做出了許多研究，發(fā)表了大量的數(shù)據(jù)，并且討論了各種磨削條件對磨削力的影響，提出了各種各樣的磨削力實驗公式，這些公式幾乎都是以磨削條件的冪指數(shù)函數(shù)形式表示的，形式如下： 式中 表示單位磨削力 磨削加工寬度、表示指數(shù)式中的指數(shù)實驗數(shù)值可參見下表：表4-1 磨削力實驗指數(shù)研究者備注前聯(lián)邦德國esacje0.450.450.450.450.40.40.40.40.430.430.430.43前蘇聯(lián)enmarslon0.60.70.7美norton公司0.50.50.50.5日渡邊0.880.760.760.62日竹中0.84淬火鋼0.871.030.48硬鋼0.840.780.45軟鋼0.870.

53、61鑄鐵0.870.60黃銅從上表可以看出，由于研究者使用的儀器水平和試驗材料不同，磨削力的公式不統(tǒng)一，按不同公式的冪指數(shù)計算出的結果差別可能很大。同時，實驗公式中，研究者常常不會給出常數(shù)值fp。故導致生產(chǎn)中應用這些值比較困難。在我們的計算中，我們主要采用了兩種公式，一個是由北京工業(yè)大學于1992年提出的磨削力的實驗公式，另一種是由機械工業(yè)出版社出版的磨工技師手冊中的公式。首先我們根據(jù)北京工業(yè)大學的實驗公式來求解磨削力。1. 公式一 由北京工業(yè)大學獲得的外圓磨削力的實驗公式為 它的實驗條件是：mq1350外圓磨床，砂輪a60gv，45鋼正火190229hbs乳化液冷卻。工件縱向進給量（mm/r

54、）砂輪的直徑為=20mm,工件的轉速為0.0758r/min,砂輪軸的轉速分別為4500r/min,7000r/min,工件的移動速度為25mm/min,切削深度分別為0.05、0.1mm、0.15mm。所以總共有3組數(shù)據(jù)。其中取工件的分度圓直徑為工件的加工直徑，即=105mm,砂輪的寬度b=10.5mm,=10.5mm/r（1）當=0.05mm時， ft=9.923n fn=19.846n （2）當=0.1mm時， ft=14.84n fn=29.39n（3）當=0.15mm時， ft=21.38n fn=42.76n2. 公式二 采用磨工技師手冊里的公式 砂輪徑向進給量(mm)；工件圓周進給速度（m/min）;工件縱向進給量（mm/r）根據(jù)磨削力實驗式的指數(shù)值表，工件材料為45鋼，外圓磨削fn/ft=2.04,查得=119.09,=0.417,=0.714,=0.751。磨削功率pm計算是磨床動力參數(shù)設計的基礎。由于砂輪的速度很高，功率消耗很大。主運動所消耗的功率（kw）為 式中 切向磨削力（n） 砂輪轉速（m/s） 砂輪電動機功率由下式計算 式中 機械傳動總效率，一般取0.70.85，這次計算中取=0.8。（1）當=0.05mm,