畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-基于SolidWorks數(shù)控鏜銑床主軸箱的有限元分析及參數(shù)優(yōu)化

IV摘要數(shù)控鏜銑床精密加工的零件越來(lái)越多、精度要求越來(lái)越高，這對(duì)機(jī)床有了更高的要求。國(guó)內(nèi)在大型數(shù)控鏜銑床這類(lèi)設(shè)備的精度和轉(zhuǎn)速等跟國(guó)際領(lǐng)先水平還有一定差距，目前對(duì)大型機(jī)床研究較多的也只是那些普通的主軸，本文針對(duì)可沿軸向移動(dòng)的雙主軸結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行了研究。確定了主軸的結(jié)構(gòu)形式，并選擇了合適的支承方式。分析了主軸端部變形量跟鏜軸伸出長(zhǎng)度的關(guān)系，在考慮軸承剛度的條件下對(duì)軸承的軸向位置以及主軸各段的長(zhǎng)度進(jìn)行了優(yōu)化，獲得了一種整個(gè)加工過(guò)程中相對(duì)較合適的軸承配置。進(jìn)行誤差補(bǔ)償時(shí)將鏜主軸伸出一半距離時(shí)作為誤差零點(diǎn)，相當(dāng)于將最大誤差減半，可以提高加工精度。在主軸結(jié)構(gòu)基本確定后對(duì)主軸進(jìn)行了模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，確定了主軸在設(shè)計(jì)的工作條件下不會(huì)發(fā)生共振，同時(shí)為日后機(jī)床性能的提高或者同類(lèi)機(jī)床設(shè)計(jì)提供參考，對(duì)振幅較大的部位可以相應(yīng)做出些如增加阻尼的解決方案。本設(shè)計(jì)是基于Solidworks軟件來(lái)數(shù)控鏜銑床主軸進(jìn)行分析。與傳統(tǒng)的計(jì)算相比，借助于計(jì)算機(jī)有限元分析方法能更加快捷和精確的得到結(jié)果。設(shè)置正確的模型、劃分合適的網(wǎng)格，并合理設(shè)置求解過(guò)程，能夠準(zhǔn)確的獲得分析模型各個(gè)部位的應(yīng)力、變形等結(jié)果。對(duì)零件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化有很大的參考作用。正是因?yàn)樯鲜鰞?yōu)點(diǎn)，我在本設(shè)計(jì)中運(yùn)用Solidworks來(lái)建立三維模型。再將此模型導(dǎo)入simulation軟件來(lái)對(duì)其進(jìn)行分析。關(guān)鍵詞：數(shù)控鏜銑床主軸，三維建模，模型，動(dòng)靜態(tài)分析，模態(tài)分析全套圖紙加V信153893706或扣3346389411AbstractNcboringandmillingmachineprecisionmachiningpartsmoreandmore,theprecisionrequirementsarehigherandhigher,thishashigherrequirementsformachinetools.DomesticinlargeCNCboringandmillingmachineprecisionandspeedofthiskindofequipmentwithinternationalleadinglevelthereisacertaingap,suchasthecurrentoflargemachinetoolsisthesimplespindle,moreresearchinthispapercanmovealongtheaxialdoublespindlestructureandperformancewerestudied.Thestructureofthespindleisdeterminedandtheappropriatesupportingmethodisselected.Analysisofthespindleenddeformationrelationshipwithoutboringaxislength,undertheconditionofconsideringthebearingstiffnessofbearingaxialpositionandspindleareoptimizedthelengthoftheparagraphs,obtainedarelativelysuitablebearinginthemanufacturingprocessofthewholeconfiguration.Whentheerrorcompensationiscarriedout,halfdistanceoftheboringspindleisusedastheerrorzero,whichisequivalenttohalvingthemaximumerror,whichcanimprovethemachiningaccuracy.Forthemainshaftaftertheconfirmationofthespindlestructurebasicmodalanalysisandharmonicresponseanalysis,determinedthespindlewillnotoccurundertheworkingconditionsofresonanceinthedesign,atthesametimefortheimprovementoftheperformanceofthemachineorsimilarmachinetooldesigninthefuturetoprovidethereferenceandtheamplitudeofthelargerpartscanbecompensatedtomakesomesolutionssuchasincreasingdamping.ThisdesignisbasedonSolidworkssoftwaretoanalyzethespindleofncboringandmillingmachine.Comparedwiththetraditionalcalculation,thecomputerfiniteelementanalysismethodcangettheresultmorequicklyandaccurately.Thecorrectmodelissetup,theappropriategridisdivided,andthesolvingprocessissetupreasonably.Thestressanddeformationofeachpartofthemodelcanbeobtainedaccurately.Ithasagreatreferenceforthedesignandoptimizationofparts.Becauseoftheseadvantages,IuseSolidworksinthisdesigntobuildathree-dimensionalmodel.Thenthemodelisimportedintosimulationsoftwaretoanalyzeit.Keywords:CNCboringandmillingmachinespindle,3dmodeling,model,dynamicstaticanalysis,modalanalysis.目錄摘要 IAbstract II目錄 III第1章緒論 11.1課題研究的背景及意義 11.2課題來(lái)源 21.2.1研究方法 21.2.2總體技術(shù)路線 21.2.3工藝規(guī)范及技術(shù)規(guī)范研究 31.3國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀 31.3.1大型數(shù)控鑊銑床國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 31.3.2主軸系統(tǒng)的研究概況 51.4主軸支承結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要性 7第2章solidworks及simulation介紹 92.1Solidworks軟件概述 92.2Simulation介紹 9第3章數(shù)控鏜銑床主軸3D設(shè)計(jì) 12第4章數(shù)控鏜銑床主軸的有限元分析 234.1有限元分析簡(jiǎn)介 234.1.1有限元分析的概念 234.1.2有限元分析的意義 234.1.3有限元分析的基本步驟 234.2有限元分析過(guò)程與步驟 244.3主軸靜態(tài)應(yīng)力有限元分析 25總結(jié) 30參考文獻(xiàn) 31致謝 32PAGE29第1章緒論1.1課題研究的背景及意義數(shù)控機(jī)床的質(zhì)量等級(jí)、種類(lèi)和生產(chǎn)能力可以反應(yīng)該國(guó)家裝備制造技術(shù)水平和綜合國(guó)力，大型高精數(shù)控機(jī)床是先進(jìn)制造技術(shù)的重要支撐，是進(jìn)行自主創(chuàng)新的核心。高速中大型加工中心不僅是國(guó)內(nèi)機(jī)床、船舶、航天、發(fā)電設(shè)備制造等領(lǐng)域的迫切需求，而且作為戰(zhàn)略裝備，直接關(guān)系到航空航天、導(dǎo)彈衛(wèi)星、新型武器等國(guó)防工業(yè)的現(xiàn)代化。裝備制造業(yè)的振興、國(guó)家安全和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展都跟數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)的振興有著密切關(guān)系，隨著高檔數(shù)控機(jī)床在制造業(yè)中需求增大，數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍也在不斷擴(kuò)大，并且不斷發(fā)展以更加適應(yīng)高速高精、復(fù)合化生產(chǎn)加工的需要。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)與國(guó)防建設(shè)的高速發(fā)展，航空航天、船舶、汽車(chē)、發(fā)電設(shè)備制造等領(lǐng)域的重大型設(shè)備中有待精密加工的航空配件、船舶零件、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，各類(lèi)箱體越來(lái)越多、精度要求越來(lái)越高。而國(guó)內(nèi)最大轉(zhuǎn)速4000rpm，定位精度簇0.02mm,重復(fù)精度簇0.01mm，旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)承載)25噸，有多種附件頭可自動(dòng)更換，并且能夠在加工時(shí)進(jìn)行熱誤差補(bǔ)償?shù)雀呔仍O(shè)備還是空白。國(guó)外進(jìn)口價(jià)格昂貴，供貨周期長(zhǎng)，還受政治影響，這些都嚴(yán)重地制約著我國(guó)大型數(shù)控設(shè)備的發(fā)展?？朔嚓P(guān)技術(shù)難題，掌握關(guān)鍵技術(shù)，研發(fā)出具有國(guó)際先進(jìn)水平的高精度大型數(shù)控鐘銑床，這對(duì)于打破有些國(guó)家在該領(lǐng)域的壟斷地位，提高我國(guó)高精度大型數(shù)控鐘銑床的生產(chǎn)能力，為我國(guó)大型高精度設(shè)備制造企業(yè)提供先進(jìn)的制造設(shè)備和技術(shù)手段，從而提高我國(guó)裝備制造業(yè)技術(shù)實(shí)力，增強(qiáng)我國(guó)綜合國(guó)力是很重要的。TH6213系列鐘銑加工中心機(jī)床，是為適應(yīng)國(guó)家的需求和市場(chǎng)需求而開(kāi)發(fā)的多功能、高速、高效技術(shù)裝備。它的基本特征為精度高、表面質(zhì)量好以及效率高，在發(fā)電設(shè)備制造、船舶、航天航空、冶金、軍工等行業(yè)中廣泛的應(yīng)用，是當(dāng)代先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分?？梢灶A(yù)見(jiàn)其市場(chǎng)前景廣闊，由此也可見(jiàn)其在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中所起的重要作用及所處的重要地位，其為我國(guó)在數(shù)控精密加工中心發(fā)展上提供的潛在的價(jià)值更是不可估量的，這種數(shù)控精密加工中心的試制，可為我們今后開(kāi)發(fā)高技術(shù)產(chǎn)品和精密機(jī)床加工設(shè)備，提供充分的制造經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累。該產(chǎn)品試制成功后，為發(fā)電設(shè)備制造、船舶、航天航空、冶金、軍工等行業(yè)的發(fā)展開(kāi)辟了國(guó)內(nèi)選擇的新途徑，并為我國(guó)機(jī)床行業(yè)與世界同步發(fā)展，為國(guó)內(nèi)機(jī)床出口創(chuàng)匯增加新的亮點(diǎn)。TH6213鐘銑加工中心機(jī)床最適于加工較大型復(fù)雜零件，可選配多種附件，進(jìn)一步擴(kuò)大機(jī)床的使用功能。可通過(guò)自動(dòng)換刀進(jìn)行鉆、鐘、銑、鉸、攻螺紋等工序而不需要重新裝夾工件，可加工零件上各種復(fù)雜曲面和圖形、各種臺(tái)階、各種復(fù)雜孔系等。加工零件具有高精、高效、高穩(wěn)定性的特點(diǎn)?？蓮V泛適用于汽車(chē)、航空航天、船舶制造、軍工、能源、電力設(shè)備、礦山機(jī)械、鍛壓設(shè)備和模具等行業(yè)中。是大、中型零件，如箱體類(lèi)、板類(lèi)、機(jī)架類(lèi)的理想粗、精加工設(shè)備。尤其適合于風(fēng)、電、煤等能源行業(yè)的大中型零件的加工。是能源加工行業(yè)不可缺少的理想關(guān)鍵設(shè)備。1.2課題來(lái)源在這樣一種背景下，青海一機(jī)數(shù)控機(jī)床有限責(zé)任公司提出與高校聯(lián)合開(kāi)發(fā)一款TH6213數(shù)控鐘銑床來(lái)滿(mǎn)足國(guó)內(nèi)需求，提高國(guó)家的制造水平。該產(chǎn)品符合2009年國(guó)家“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專(zhuān)項(xiàng)中優(yōu)先支持的17類(lèi)高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備中內(nèi)容，與國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃的目標(biāo)相符合。大型數(shù)控鐘銑床在鐘削的時(shí)候，由于加工的工件比較大，不能直接將工件安裝在床身上，必須在床身外另外增設(shè)工作臺(tái)來(lái)裝夾工件，這樣就只能將主軸伸出到工件的孔中進(jìn)行加工。機(jī)床的主軸系統(tǒng)是機(jī)床的核心，其精度直接決定了機(jī)床的精度，而主軸要伸出機(jī)床外，更增大了該數(shù)控鐘銑床主軸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度。為此，對(duì)此款機(jī)床的主軸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行研究是非常有實(shí)用價(jià)值的。1.2.1研究方法在本課題的實(shí)施過(guò)程中，課題的組織與運(yùn)行主要采用以下幾個(gè)方面的研究方法:1)目標(biāo)牽引本課題以重大專(zhuān)項(xiàng)指南要求和市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，以青海一機(jī)數(shù)控機(jī)床有限責(zé)任公司為主體，產(chǎn)、學(xué)、研、用密切結(jié)合，共同參與項(xiàng)目整體方案的制定和實(shí)施。2)系統(tǒng)研究本課題不是單臺(tái)機(jī)床的設(shè)計(jì)制造問(wèn)題，而是涉及先進(jìn)制造技術(shù)、高精、高速加工工藝、鐘、銑主軸單元、精密檢測(cè)設(shè)備、系統(tǒng)建模仿真等多領(lǐng)域重大技術(shù)的難題，因此課題的工作安排將充分體現(xiàn)系統(tǒng)工程的思想，主攻關(guān)鍵技術(shù)，注重示范作用。3)優(yōu)勢(shì)聯(lián)合針對(duì)課題的各個(gè)重大技術(shù)難題，發(fā)揮聯(lián)合單位各自的優(yōu)勢(shì)，制定合理可行的組織方式和技術(shù)路線，完成各自相應(yīng)的研究任務(wù)。1.2.2總體技術(shù)路線首先對(duì)國(guó)內(nèi)外同類(lèi)高精、高速加工中心設(shè)計(jì)、制造技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行深入分析和研究，同時(shí)，充分注重高速加工技術(shù)與主機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合與協(xié)調(diào)，在此基礎(chǔ)上提出主機(jī)的具體實(shí)現(xiàn)的技術(shù)方案，首先找出與高精、高速加工中心相關(guān)的技術(shù)難題，在充分考慮項(xiàng)目責(zé)任單位和聯(lián)合申報(bào)單位工作基礎(chǔ)和技術(shù)能力的前提下，提出項(xiàng)目主要研究任務(wù)和研究?jī)?nèi)容，并采用建模仿真分析與實(shí)驗(yàn)分析相結(jié)合的方法，對(duì)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行深入研究，掌握關(guān)鍵技術(shù)，最終開(kāi)發(fā)出可以批量化生產(chǎn)的高速加工中心。高精、高速加工中心是集機(jī)、電、液、氣、控等多種系統(tǒng)于一體的復(fù)雜裝備，影響其高速、高效、高精的關(guān)鍵是結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)和抗熱剛度，以及高速主軸和高速進(jìn)給系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能等因素，因此，圍繞重大專(zhuān)項(xiàng)提出的研究?jī)?nèi)容，以機(jī)床動(dòng)態(tài)性能為主線，試驗(yàn)與理論分析相結(jié)合，借助實(shí)驗(yàn)分析與建模仿真結(jié)合的方法，采取“總體方案設(shè)計(jì)一整機(jī)建模分析一關(guān)鍵技術(shù)研究一動(dòng)態(tài)性能檢測(cè)一薄弱環(huán)節(jié)識(shí)別一結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)一整機(jī)性能評(píng)估一樣機(jī)試制驗(yàn)證”的研究思路，應(yīng)用多場(chǎng)藕合有限元模態(tài)分析、多學(xué)科綜合優(yōu)化、多體動(dòng)力學(xué)和多物理領(lǐng)域建模等理論與方法，進(jìn)行整機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建模、仿真及優(yōu)化，解決高速加工中心結(jié)構(gòu)靜動(dòng)剛度、熱剛度和不同系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化匹配問(wèn)題，找出影響高速性能的關(guān)鍵薄弱環(huán)節(jié);建立高速主軸單元性能檢測(cè)的綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)高速主軸動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析和優(yōu)化;研究一種用于高精、高速主軸的新型低溫油氣潤(rùn)滑冷卻裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)主軸回轉(zhuǎn)精度的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性控制;搭建高速進(jìn)給系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性檢測(cè)與控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，研究W軸進(jìn)給系統(tǒng)的溫升對(duì)傳動(dòng)剛度的影響，實(shí)時(shí)溫度控制;分析移動(dòng)部件的加減速特性模型，減少運(yùn)動(dòng)部件慣量對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)的影響，設(shè)計(jì)出與高速運(yùn)動(dòng)相適應(yīng)的輕量化移動(dòng)部件。建立整機(jī)性能評(píng)價(jià)方法與指標(biāo)體系，完善制造和裝配工藝制度，提高高精、高速加工中心的工作性能和可靠性，實(shí)現(xiàn)課題技術(shù)指標(biāo)。1.2.3工藝規(guī)范及技術(shù)規(guī)范研究1)開(kāi)展高速加工中心設(shè)計(jì)、制造工藝研究，形成工藝規(guī)范。收集國(guó)內(nèi)外高速加工中心、超高速加工中心相關(guān)制造工藝規(guī)范、研究成果以及企業(yè)生產(chǎn)與檢驗(yàn)?zāi)芰脱b配、制造工藝等資料，對(duì)收集到的資料進(jìn)行整理和分析。將加工中心關(guān)鍵部件和整機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性計(jì)算分析;基于ABAQUS有限元分析平臺(tái)建立整機(jī)的數(shù)字化分析模型，進(jìn)行高速加工中心整機(jī)動(dòng)態(tài)性能的分析等工作形成設(shè)計(jì)規(guī)范。2)開(kāi)展高加工中心技術(shù)規(guī)范研究，形成企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。收集國(guó)內(nèi)外高速加工中心、超高速加工中心的驗(yàn)收與精度標(biāo)準(zhǔn)以及產(chǎn)品規(guī)格等資料，對(duì)收集到的資料進(jìn)行整理和分析。依據(jù)現(xiàn)有測(cè)量?jī)x器和生產(chǎn)設(shè)備以及本課題的研究成果和新增生產(chǎn)設(shè)備以及已有資料，并參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，制定高速加工中心的精度和驗(yàn)收條件等企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)草案以及高速加工中心配套件企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)草案。1.3國(guó)內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀1.3.1大型數(shù)控鑊銑床國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)目前國(guó)內(nèi)高檔大型鐘銑數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品與發(fā)達(dá)國(guó)家著名企業(yè)相比仍存在一定差距，產(chǎn)品水平的差距主要體現(xiàn)在:主軸轉(zhuǎn)速，國(guó)際先進(jìn)水平已發(fā)展到最高達(dá)3000-4000r/min，而國(guó)內(nèi)主要徘徊在800-1SOOr/min。快速進(jìn)給方面，國(guó)際先進(jìn)水平達(dá)20000-30000mm/min，而國(guó)內(nèi)主要徘徊在6000-10000mm/minx精度，國(guó)外先進(jìn)水平定位精度0.015/1000mm，重復(fù)定位精度0.003-0.007mm,國(guó)內(nèi)產(chǎn)品水平，定位精度0.025/1000mm，重復(fù)定位精度0.01-0.O15mm?？煽啃?、精度的穩(wěn)定性、復(fù)合多功能、柔性化、智能化方面不如國(guó)外廠家，外觀質(zhì)量也有明顯的差距。目前，國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)重型落地銑鐘床的企業(yè)比較多，競(jìng)爭(zhēng)非常激烈。國(guó)內(nèi)的代表企業(yè)有武重、齊二機(jī)床、沈陽(yáng)(中捷)機(jī)床、濟(jì)二機(jī)床、北一機(jī)床、三一精機(jī)、昆明機(jī)床、大連機(jī)床等，國(guó)外的有意大利的PAMA,FPT，捷克的SKODA,TOS，西班牙的JUARISTI，口本的山崎馬扎克、MITSUBISHI等。表1-1國(guó)內(nèi)部分落地鎖床的主軸性能近年來(lái)，重型落地銑鐘床主軸轉(zhuǎn)速越來(lái)越快，高性能和高生產(chǎn)率鐘床的主軸遇到了越來(lái)越多的挑戰(zhàn)，在高效率切削中，需要機(jī)床主軸具備高轉(zhuǎn)速和高效率的特點(diǎn)。在精加工時(shí)需要高轉(zhuǎn)速，以便使切削效率有限的小直徑刀具能達(dá)到足夠的切削速度。而粗加工時(shí)則需要較大的切削功率。因此，機(jī)床主軸研制的重點(diǎn)主要在于提高整體加工效率，使精加工和粗加工都能夠在理想條件下進(jìn)行。表1-1中給出了國(guó)內(nèi)部分落地鐘床的主軸性能進(jìn)行比較。由表1-1可以發(fā)現(xiàn)，目前機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速越來(lái)越高，而主機(jī)扭矩則相應(yīng)有所下降。主軸同時(shí)具備高轉(zhuǎn)速和高效率的特點(diǎn)越來(lái)越明顯。國(guó)外PAMA和SKODA公司提供的產(chǎn)品在主軸轉(zhuǎn)速、最大切削扭矩、進(jìn)給速度、加工精度等方面都要優(yōu)于國(guó)內(nèi)的產(chǎn)品，尤其是高轉(zhuǎn)速(2500r/min以上)配大扭矩(10000N"m以上)方面，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有相關(guān)產(chǎn)品。根據(jù)相關(guān)的參考文獻(xiàn)，重型鐘銑床正朝著精密化、高速化、超大型化、環(huán)?；?fù)合化、智能化方向發(fā)展。精密化：二十一世紀(jì)以來(lái)，隨著國(guó)防工業(yè)和高技術(shù)民用工業(yè)的高速發(fā)展，精密機(jī)床的需求量也隨之上升，并且對(duì)數(shù)控機(jī)床的加工精度的要求不斷提高。當(dāng)今普通精度的數(shù)控機(jī)床的加工精度就與六十年前精密機(jī)床的加工精度相當(dāng)。在高新技術(shù)工業(yè)快速發(fā)展的時(shí)代，起著支撐作用的機(jī)床產(chǎn)品的精密化進(jìn)程不可逆轉(zhuǎn)。中、小型機(jī)床超精密加工的精度已從微米級(jí)往亞微米級(jí)發(fā)展，部分特種加工機(jī)床的精度更高，可達(dá)到納米級(jí)。對(duì)于重型機(jī)床來(lái)說(shuō)，加工的零件多為大型零件，但精度要求一點(diǎn)也不低，以汽車(chē)、航空航天工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的產(chǎn)品為例，加工精度普遍要達(dá)到微米級(jí)(C0.002-0.004mm),甚至更高(<0.001mm)。高速化：一些零件的加工要求機(jī)床具有很高的轉(zhuǎn)速，例如航空航天工業(yè)中材質(zhì)為欽鋁合金的大型薄壁零件，要求重型五軸聯(lián)動(dòng)的鐘銑床的主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到6000-40000r/min。為了實(shí)現(xiàn)高速加工，越來(lái)越多的重型落地鐘銑床采用了高速電主軸、直線電機(jī)、直線重載導(dǎo)軌、高速滾珠絲杠等新型部件，發(fā)揮了現(xiàn)代刀具優(yōu)良的性能，提高了加工效率。超大型化：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，人類(lèi)探索自然的腳步邁得越來(lái)越遠(yuǎn)。在探索海洋和太空等領(lǐng)域時(shí)，由于某些特殊的需求，所需的裝備的體積也越來(lái)越大，正因?yàn)槿绱耍匦蜋C(jī)床的規(guī)格也在不斷升級(jí)。例如，齊二為中信重工制造的TK6932型落地銑鐘床，重760T,桿直徑320mm，主軸箱行程8m,滑枕行程2m。環(huán)保化：隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)越來(lái)越重視，對(duì)機(jī)床在環(huán)保方面提出了更高的要求。當(dāng)今，在歐洲一些國(guó)家，機(jī)床產(chǎn)品的硬、干切削技術(shù)在快速的發(fā)展，避免和防止?jié)櫥屠鋮s的油液污染周?chē)沫h(huán)境。復(fù)合化：在零件的單工序加工過(guò)程中，機(jī)床切削的時(shí)間只占整個(gè)生產(chǎn)加工過(guò)程的一半左右，而另一半的時(shí)間則被用于工件裝夾等輔助時(shí)間，所以使工序集中，減少裝夾次數(shù)，可以大大節(jié)約加工時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。復(fù)合機(jī)床可以減少輔助時(shí)間，機(jī)床的復(fù)合化是現(xiàn)代機(jī)床發(fā)展的趨勢(shì)，尤其是重型機(jī)床，其加工的工件多為單件或小批量，一次裝夾內(nèi)完成多道工序，其加工效率、經(jīng)濟(jì)效益將顯得十分突出。目前，齊二機(jī)床生產(chǎn)的重型鐘銑車(chē)床，帶有回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，能在一次裝夾內(nèi)完成多道工序。智能化：得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，機(jī)床產(chǎn)品變得更加智能。現(xiàn)如今，機(jī)床產(chǎn)品的遠(yuǎn)程控制技術(shù)、遠(yuǎn)程故障診斷技術(shù)以及機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的軟件補(bǔ)償技術(shù)都已經(jīng)在許多機(jī)床產(chǎn)品上得以實(shí)現(xiàn)。包括重型落地銑鐘床在內(nèi)的機(jī)床產(chǎn)品在未來(lái)必將越來(lái)越智能。1.3.2主軸系統(tǒng)的研究概況機(jī)床主軸系統(tǒng)是機(jī)床的最重要的組成部分之一，其工作特性直接影響加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。隨著大型鐘床、鐘銑加工中心不斷向高速度、高精度、高剛度的方向發(fā)展，對(duì)主軸組件的精度要求、溫度控制、動(dòng)靜態(tài)特性等要求也越來(lái)越高。機(jī)床主軸系統(tǒng)通常由主軸、傳動(dòng)部件、軸承和一些緊固定位零件組成，其中主軸軸承是對(duì)主軸系統(tǒng)性能影響最大的。數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)由原來(lái)的類(lèi)比設(shè)計(jì)、經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)逐漸被現(xiàn)代的建立模型進(jìn)行有限元仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)所取代。由于主軸軸承在主軸系統(tǒng)中的重要性，在研究主軸系統(tǒng)時(shí)，也總離不開(kāi)對(duì)主軸軸承的研究，機(jī)床主軸對(duì)滾動(dòng)軸承的基本要求.1)轉(zhuǎn)速與溫升隨著科技水平以及加工要求的提高，切削速度越來(lái)越高，轉(zhuǎn)速變化范圍也越來(lái)越大，因此，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的條件下對(duì)軸承穩(wěn)定性的要求也越來(lái)越高。機(jī)床主軸軸承的溫升是限制軸承轉(zhuǎn)速的重要因素。一般情況下，合理選擇軸承類(lèi)型、配置方式、精度等級(jí)、預(yù)載荷(游隙)大小、潤(rùn)滑劑及潤(rùn)滑方式等特性，能在一定程度上提高滾動(dòng)軸承的高速性能。2)壽命及承載能力一般情況下，主軸組件的壽命是指主軸能夠在規(guī)定的精度下使用的時(shí)間，因此，要求在主軸組件壽命期內(nèi)軸承精度能夠有較好的保持性。對(duì)于重型機(jī)床或切削力較大的機(jī)床，首先應(yīng)該考慮的是軸承的承載能力。(3)剛度和抗振性為保證工件的加工質(zhì)量，主軸系統(tǒng)需要有一定的剛度，否則會(huì)產(chǎn)生比較大的復(fù)映誤差甚至顫振?？拐裥允侵傅挚故芷日駝?dòng)和自激振動(dòng)的能力。主軸組件的抗振性取決于主軸和軸承的剛度和阻尼。采用預(yù)緊滾動(dòng)軸承可以有效地提高主軸系統(tǒng)的剛度。(4)噪聲在高速磨床中，其整機(jī)噪聲的主要成分就是磨頭軸承的噪聲，應(yīng)選用噪聲低的滾動(dòng)軸承。由于主軸系統(tǒng)是保證加工精度的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，國(guó)內(nèi)外學(xué)著對(duì)其做了大量的研究。對(duì)于這些大型數(shù)控機(jī)床，通常情況下，主軸剛度滿(mǎn)足的條件下主軸的強(qiáng)度都是能滿(mǎn)足要求的，提高主軸部件的剛度特性對(duì)數(shù)控鐘銑床的精度有著很重要的作用。通過(guò)有限元分析軟件對(duì)主軸進(jìn)行建模，可以分析出跟主軸剛度有關(guān)的信息，找出薄弱部分，根據(jù)這些可以有針對(duì)性的進(jìn)行優(yōu)化。蘭州理工大學(xué)的數(shù)字制造技術(shù)與應(yīng)用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在這方面就做了相關(guān)的研究。英屬哥倫比亞大學(xué)的OsamuMaeda,YuzhongCao,YusufAltintas關(guān)于主軸設(shè)計(jì)的專(zhuān)家系統(tǒng)，通過(guò)模糊理論對(duì)主軸的結(jié)構(gòu)尺寸等設(shè)計(jì)進(jìn)行一種交互的、自動(dòng)的設(shè)計(jì)，通過(guò)調(diào)整軸承在主軸上的分布形式來(lái)自動(dòng)的對(duì)主軸結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)進(jìn)行優(yōu)化。其中還利用了Timoshenko梁理論來(lái)預(yù)測(cè)主軸的頻率響應(yīng)特性，利用SequentialQuadraticProgramming(SQP)方法對(duì)軸承的配置形式進(jìn)行了優(yōu)化。TedricA.Harris和MichaelN.Kotzalas9]在研究主軸系統(tǒng)的剛度時(shí)發(fā)現(xiàn)，一方面由于軸承剛度計(jì)算的復(fù)雜性，另一方面無(wú)論是理論計(jì)算還是試驗(yàn)都證明軸承的剛度是非線性的，這就使得主軸系統(tǒng)的分析非常復(fù)雜。于是他在對(duì)主軸系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)分析的時(shí)候忽略了軸承的彈性，將其作為固定支承來(lái)研究并給出了理論解。2006年，YUZHONGCAO建立了機(jī)床主軸系統(tǒng)的通用結(jié)構(gòu)模型，該模型可以通過(guò)指定切削條件、刀具幾何形狀等來(lái)分析預(yù)測(cè)主軸，從而不需要向傳統(tǒng)的那樣通過(guò)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行嘗試性設(shè)計(jì)，再通過(guò)制造樣機(jī)來(lái)檢驗(yàn)，然后不斷改進(jìn)，大量節(jié)省了設(shè)計(jì)成本和時(shí)間。這是利用Timoshenko梁理論開(kāi)發(fā)的主軸系統(tǒng)通用有限元模型，還包括角接觸球軸承的非線性有限元模型，可以預(yù)測(cè)在軸向載荷作用下剛度的變化，并通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。該模型可以預(yù)測(cè)主軸系統(tǒng)的模態(tài)、頻率響應(yīng)、主軸振動(dòng)、軸承接觸力等評(píng)估主軸系統(tǒng)在高速切削下工作性能的基本參數(shù)。1995年，美國(guó)普渡大學(xué)的JayF.Tu通過(guò)一個(gè)彈性模型來(lái)進(jìn)行主軸軸承轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)變場(chǎng)分析。這種分析具有很重要的實(shí)用意義，因?yàn)樗c軸承預(yù)載荷、切削力、軸承運(yùn)行條件等密切相關(guān)。另外，還研究了一種非侵入式的檢測(cè)方案，通過(guò)在主軸箱外貼高敏感性傳感器來(lái)間接檢測(cè)軸承部位的應(yīng)變場(chǎng)，代替了傳統(tǒng)的在軸承座內(nèi)安裝應(yīng)變片的方案，驗(yàn)證了所建模型的正確性。由于對(duì)主軸系統(tǒng)特性缺乏比較完整的理解，尤其是熱效應(yīng)，嚴(yán)重制約了主軸系統(tǒng)在速度提高后的可靠性，對(duì)于高速主軸，有一個(gè)臭名昭著的問(wèn)題就是由于發(fā)熱問(wèn)題，主軸在毫無(wú)征兆的情況下發(fā)生嚴(yán)重的失效。BerndBossmanns和JayF.Tu在1999年提出了一種有限差分熱模型來(lái)描述主軸的能量分布，特別是表征熱傳遞和熱衰減，并在一種電主軸的機(jī)床上得到了驗(yàn)證。在2001年，他們兩人又提出了定性的能量流模型和定量的熱源模型。2003年，Chi-WeiLin,JayF.Tu和JoeKamman提出了一種綜合熱一機(jī)械動(dòng)態(tài)模型，研究了軸承預(yù)緊對(duì)軸承剛度的影響，整個(gè)主軸系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)等等。2007年，Chi-WeiLin和JayF.Tu}ls]基于一種綜合的有限元模型提出了一種開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)流程圖來(lái)表示主軸的設(shè)計(jì)問(wèn)題。在這個(gè)流程圖中有8個(gè)參數(shù)需要考慮，通過(guò)對(duì)這8個(gè)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)靈敏度分析，從而探討其對(duì)主軸系統(tǒng)的固有頻率的影響。2004年，臺(tái)灣大葉大學(xué)的Cheng-HsienWu,Yu-TaiKung對(duì)主軸軸承的油氣潤(rùn)滑和預(yù)緊做了研究，他們利用口本學(xué)者田口玄一提出的田口方法研究了設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)潤(rùn)滑效率的影響，也研究了怎樣獲得最佳的潤(rùn)滑條件，另外還研究了預(yù)緊力對(duì)溫升和剛度的影響。2003年，韓國(guó)昌原大學(xué)的WonJeeChung,ChoonManLee和他們的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)出了主軸單元的梁?jiǎn)卧Ｐ汀⑺惴ê蜔崽匦缘闹鬏S單元計(jì)算機(jī)分析軟件，開(kāi)發(fā)的熱模型包括滾動(dòng)軸承的熱生成模型和熱傳遞模型，主軸單元的溫度和熱變形的估計(jì)模型。羅馬尼亞的GD.Hagiu和M.D.Gafitanu}lg]在1996年對(duì)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的角接觸球軸承進(jìn)行了研究，通過(guò)建立的動(dòng)態(tài)模型，考慮了赫茲接觸中的薄膜壓縮效應(yīng)和彈性變形，研究了高速角接觸球軸承的剛度和阻尼。在2012年，伊朗的A.Zahedi和M.R.Movahhe街為高速主軸系統(tǒng)建立了熱一機(jī)械組合模型來(lái)預(yù)測(cè)主軸系統(tǒng)的熱一機(jī)械行為。主軸箱和主軸被用六自由度的Timoshenko梁來(lái)仿真，軸承被仿真為有五個(gè)移動(dòng)的兩節(jié)點(diǎn)元件，并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)有一個(gè)熱載荷。主軸、主軸箱跟軸承之間的行為是通過(guò)熱變形、熱生成率和熱傳遞率來(lái)描述。1.4主軸支承結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要性對(duì)于普通機(jī)床，有的學(xué)者對(duì)主軸軸承的配置方法進(jìn)行了總結(jié)，分析了各種配置方式各有什么特點(diǎn)，適用于哪種情況。機(jī)床設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)機(jī)床的使用情況，根據(jù)所設(shè)計(jì)機(jī)床目標(biāo)性能的特點(diǎn)，合理地選擇軸承配置方式，從而使該機(jī)床在所需要的性能方面達(dá)到一個(gè)較好的狀態(tài)。對(duì)于鐘銑床，它是兩根主軸套在一起使用，外層是銑軸，里面是鐘軸，銑軸軸向位置固定，而鐘軸可以在銑軸中間沿軸向滑動(dòng)，伸出銑軸進(jìn)行鐘削。這種情況需要用軸承對(duì)銑軸進(jìn)行支承，鐘軸部分靠銑軸與鐘軸的滑動(dòng)配合面支承，尾部靠軸承支承。由于鐘軸要能在銑軸滑動(dòng)，可以伸出銑軸鐘孔，因此鐘軸中間不能添加支承。大部分(近90%)主軸的支承方式都是兩支承，少數(shù)的某些機(jī)床由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的原因，導(dǎo)致主軸箱長(zhǎng)度較長(zhǎng)，其主軸兩個(gè)支承之間的支承跨距L遠(yuǎn)大于最佳跨距Lo，此時(shí)，應(yīng)考慮增設(shè)中間支承來(lái)提高主軸部件的剛度和抗振性。由于制造工藝上的限制，要使箱體中三個(gè)主軸支承座孔中心完全同軸是不可能的。為了保證主軸部件的剛度和旋轉(zhuǎn)精度，通常只有兩個(gè)支承(其中一個(gè)為前支承)其主要作用，而另一個(gè)支承起輔助作用，輔助支承通常采用剛度和承載能力較小的軸承，其外圈與支承座孔的配合比主要支承松1-2級(jí)，保證有一定的間隙，以解決三孔不同軸的問(wèn)題。對(duì)于鐘銑床這種復(fù)雜的主軸套主軸的結(jié)構(gòu)，由于較細(xì)的鐘軸較長(zhǎng)，要能在銑軸內(nèi)滑動(dòng)伸出，如果要采用兩支承結(jié)構(gòu)，就意味著細(xì)的鐘軸來(lái)支撐起較粗的銑軸，而且鐘軸長(zhǎng)度又很大，可以達(dá)到兩米多，故直接采用兩支承是不合適的。鐘銑床主軸通常采用的是三支承的軸承配置結(jié)構(gòu)，前端銑軸部分采用兩支承，在前端獲取較高的剛度，后端鐘軸尾部增加一支承托住鐘軸，充當(dāng)輔助支承，同時(shí)提供鐘軸軸向進(jìn)給力。鐘軸前端利用銑軸內(nèi)表面(通常是部分內(nèi)表面)進(jìn)行支承，單獨(dú)看鐘軸，是兩支承或是三支承。第2章solidworks及simulation介紹2.1Solidworks軟件概述SolidWorks為達(dá)索系統(tǒng)（DassaultSystemesS.A）下的子公司，專(zhuān)門(mén)負(fù)責(zé)研發(fā)與銷(xiāo)售機(jī)械設(shè)計(jì)軟件的視窗產(chǎn)品。達(dá)索公司是負(fù)責(zé)系統(tǒng)性的軟件供應(yīng)，并為制造廠商提供具有Internet整合能力的支援服務(wù)。該集團(tuán)提供涵蓋整個(gè)產(chǎn)品生命周期的系統(tǒng)，包括設(shè)計(jì)、工程、制造和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等各個(gè)領(lǐng)域中的最佳軟件系統(tǒng)，著名的CATIAV5就出自該公司之手，目前達(dá)索的CAD產(chǎn)品市場(chǎng)占有率居世界前列。特點(diǎn):Solidworks軟件功能強(qiáng)大，組件繁多。Solidworks功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新是SolidWorks的三大特點(diǎn)，使得SolidWorks成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案。SolidWorks能夠提供不同的設(shè)計(jì)方案、減少設(shè)計(jì)過(guò)程中的錯(cuò)誤以及提高產(chǎn)品質(zhì)量。SolidWorks不僅提供如此強(qiáng)大的功能，同時(shí)對(duì)每個(gè)工程師和設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，操作簡(jiǎn)單方便、易學(xué)易用。對(duì)于熟悉微軟的Windows系統(tǒng)的用戶(hù)，基本上就可以用SolidWorks來(lái)搞設(shè)計(jì)了。SolidWorks獨(dú)有的拖拽功能使用戶(hù)在比較短的時(shí)間內(nèi)完成大型裝配設(shè)計(jì)。SolidWorks資源管理器是同Windows資源管理器一樣的CAD文件管理器，用它可以方便地管理CAD文件。使用SolidWorks，用戶(hù)能在比較短的時(shí)間內(nèi)完成更多的工作，能夠更快地將高質(zhì)量的產(chǎn)品投放市場(chǎng)。在目前市場(chǎng)上所見(jiàn)到的三維CAD解決方案中，SolidWorks是設(shè)計(jì)過(guò)程比較簡(jiǎn)便而方便的軟件之一。美國(guó)著名咨詢(xún)公司Daratech所評(píng)論：“在基于Windows平臺(tái)的三維CAD軟件中，SolidWorks是最著名的品牌，是市場(chǎng)快速增長(zhǎng)的領(lǐng)導(dǎo)者?！痹趶?qiáng)大的設(shè)計(jì)功能和易學(xué)易用的操作（包括Windows風(fēng)格的拖/放、點(diǎn)/擊、剪切/粘貼）協(xié)同下，使用SolidWorks，整個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)是可百分之百可編輯的，零件設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)和工程圖之間的是全相關(guān)的。2.2Simulation介紹Simulation是SRAC（StructuralResearch&AnalysisCorporation）推出的一套強(qiáng)大的有限元分析軟件。SRAC位于美國(guó)加州的洛杉磯，從1982年成立至今，SRAC一直至力于有限元CAE技術(shù)的研究和發(fā)展。早期的有限元技術(shù)高高在上，只有一些國(guó)家的部門(mén)如宇航，軍事部門(mén)可以使用，而此后的一些有限元分析軟件也都存在界面不友好、難學(xué)難用的缺點(diǎn)，且要求的設(shè)備昂貴。雖然用的范圍大了一些，但也都是集中在大學(xué)和一些研究機(jī)構(gòu)，只有少數(shù)專(zhuān)業(yè)人員才能有機(jī)會(huì)接觸，普通的工程師可望而不可及。然而自simulation出現(xiàn)后，有限元分析的大門(mén)終于向普通工程師敞開(kāi)了，把高高在上的有限元技術(shù)平民化，它易學(xué)易用，簡(jiǎn)潔直觀，能夠在普通的PC機(jī)上運(yùn)行，不需要專(zhuān)業(yè)的有限元經(jīng)驗(yàn)。普通的工程師都可以進(jìn)行工程分析，迅速得到分析結(jié)果，從而最大限度地縮短設(shè)計(jì)周期，降低測(cè)試成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，加大利潤(rùn)空間。做為世界上最快的有限元分析軟件，simulation采用FFE（FastfiniteElement）技術(shù)使得復(fù)雜耗時(shí)的工程分析時(shí)間大大縮短，有一位工程師打趣說(shuō)"自從有了simulationFFE技術(shù)，我連喝咖啡的時(shí)間都沒(méi)有了"。傳統(tǒng)的方法在分析裝配體時(shí)是先把零件拆散，然后一個(gè)個(gè)分別處理，耗時(shí)耗力，又存在計(jì)算結(jié)果不精確的缺點(diǎn)。simulation提供了多場(chǎng)/多組件的復(fù)雜裝配分析，從而大大簡(jiǎn)化工程師的勞動(dòng)，使得分析能夠更好地模擬真實(shí)情況，結(jié)果也就更精確。simulation是完全整合在SOLIDWORKS中設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)的，提供壓力、頻率、約束、熱量，和優(yōu)化分析。為設(shè)計(jì)工程師在SolidWorks的環(huán)境下，提供比較完整的分析手段。憑借先進(jìn)的快速有限元技術(shù)(FFE),工程師能非常迅速地實(shí)現(xiàn)對(duì)大規(guī)模的復(fù)雜設(shè)計(jì)的分析和驗(yàn)證，并且獲得修正和優(yōu)化設(shè)計(jì)所需的必要信息。分析的模型和結(jié)果和Soli-dWorks共享一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，這意味著設(shè)計(jì)與分析數(shù)據(jù)將沒(méi)有繁瑣的雙向轉(zhuǎn)換操作，分析也因而與計(jì)量單位無(wú)關(guān)。在幾何模型上，可以直接定義載荷和邊界條件，如同生成幾何特征，設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫(kù)也會(huì)相應(yīng)地自動(dòng)更新。計(jì)算結(jié)果也可以直觀地顯示在SolidWorks精確的設(shè)計(jì)模型上。這樣的環(huán)境操作簡(jiǎn)單、節(jié)省時(shí)間，且硬盤(pán)空間資源要求很小。simulation能夠做哪些方面的分析，分別解決什么問(wèn)題呢？其基本模塊能做線性應(yīng)力、位移、頻率和室溫、熱分析，含裝配體分析，還可以選擇購(gòu)買(mǎi)運(yùn)動(dòng)分析和流體分析模塊。靜應(yīng)力分析零件會(huì)斷裂嗎？是超安全標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)嗎？熱應(yīng)力作用下會(huì)失效嗎？頻率分析確定零件或裝配的造型與其固有頻率的關(guān)系，會(huì)發(fā)生共振嗎？在需要共振效果的場(chǎng)合，如超聲波焊接喇叭，音叉，獲得最佳設(shè)計(jì)效果。失穩(wěn)分析在壓載荷作用下，薄壁結(jié)構(gòu)件會(huì)發(fā)生失穩(wěn)嗎？在這些情況下一般不會(huì)達(dá)到材料失效（應(yīng)力超過(guò)材料屈服極限）。熱分析零件會(huì)過(guò)熱嗎？熱量在整個(gè)裝配體中如何發(fā)散？用輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)三種方式研究熱量在零件和裝配中的傳播。非線性分析用于分析橡膠類(lèi)或者塑料類(lèi)的零件或裝配體的行為，還用于分析金屬結(jié)構(gòu)在達(dá)到屈服極限后的力學(xué)行為。也可以用于考慮大扭轉(zhuǎn)和大變形，如：突然失穩(wěn)。間隙/接觸分析在特定載荷下，兩個(gè)或者更多運(yùn)動(dòng)零件相互作用。例如：在傳動(dòng)鏈或其他機(jī)械系統(tǒng)中接觸間隙未知的情況下分析應(yīng)力和載荷傳遞。優(yōu)化在保持滿(mǎn)足其他性能判據(jù)（如應(yīng)力失效）的前提下，自動(dòng)定義最小體積設(shè)計(jì)。后動(dòng)力分析零件或裝配體在動(dòng)態(tài)激勵(lì)下的線性動(dòng)力學(xué)分析，如地震激勵(lì)分析。疲勞分析預(yù)測(cè)疲勞對(duì)產(chǎn)品全生命周期的影響，確定可能發(fā)生疲勞破壞的區(qū)域，流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算（CFD）跟蹤導(dǎo)管內(nèi)部或者螺旋槳等表面的氣體、液體流動(dòng)狀況。例如：CPU內(nèi)的空氣循環(huán)和冷卻，螺旋槳的升降。電磁分析研究導(dǎo)電原件的電磁相互作用，確定線圈和磁體感應(yīng)產(chǎn)生的機(jī)械力。SRAC公司早在1985年她就開(kāi)發(fā)出了世界上第一套應(yīng)用于PC機(jī)的有限元分析程序，1995年成為SolidWorks的第一家合作伙伴，1997年成為SolidWorks的第一家黃金認(rèn)證合作伙伴，2002年4月SRAC加入SolidWorks公司，從此simulation正式成為SolidWorks產(chǎn)品。simulation是SolidWorks?家族最熱銷(xiāo)的分析解決方案，尤其適合于那些有分析需求但是缺乏相關(guān)有限元專(zhuān)業(yè)知識(shí)的工程師們的需要。simulation集功能強(qiáng)大、計(jì)算精確和簡(jiǎn)單好用三大特點(diǎn)為一身，能夠讓工程師們?cè)谝惶熘畠?nèi)開(kāi)始設(shè)計(jì)分析，并且迅速得到分析結(jié)果。simulation能夠提供廣泛的分析工具去檢驗(yàn)和分析復(fù)雜零件和裝配，它能夠進(jìn)行應(yīng)力分析、應(yīng)變分析、變形分析、熱分析、設(shè)計(jì)優(yōu)化、線性和非線性分析。使用simulation，工程師可以最大限度地縮短設(shè)計(jì)周期，降低測(cè)試成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，加大利潤(rùn)空間。只有simulation含有精確應(yīng)力分析模塊（AccuStress），這是精確應(yīng)力計(jì)算中一個(gè)有著劃時(shí)代意義的工具,象征著一個(gè)過(guò)渡期的劃分網(wǎng)格新技術(shù)。在局部區(qū)域網(wǎng)格劃分更細(xì)密以提供更精確的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化。由于受到本行業(yè)高速解決方案的推動(dòng)，simulation能夠讓您只花上傳統(tǒng)FEA軟件價(jià)錢(qián)的一個(gè)零頭，就可以得到高端的simulation的功能，從結(jié)構(gòu)分析、熱應(yīng)力分析到含間隙的裝配分析和接觸摩擦分析，simulation無(wú)所不能。使用革新化的精確工具，simulation的計(jì)算結(jié)果相當(dāng)準(zhǔn)確足以?xún)?yōu)化您的真實(shí)設(shè)計(jì)形狀，simulation可以進(jìn)行虛擬試驗(yàn)，在整個(gè)設(shè)計(jì)周期中進(jìn)行優(yōu)化，把投入造型和分析的財(cái)力和時(shí)間降至最低水平。談到精確應(yīng)力分析結(jié)果時(shí)，大量的基準(zhǔn)試驗(yàn)已經(jīng)證明主流的分析軟件中沒(méi)有一個(gè)能與simulation相提并論。只有simulation含有精確應(yīng)力分析模塊（AccuStress），這是精確應(yīng)力計(jì)算中一個(gè)有著劃時(shí)代意義的工具,象征著一個(gè)過(guò)渡期的劃分網(wǎng)革新技術(shù)。在局部區(qū)域網(wǎng)格劃分更細(xì)密以提供更精確的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化，植入SolidWorks的優(yōu)化和仿真功能使simulation幫助您無(wú)需頻繁地重新定義分析就可以更快更準(zhǔn)確地修改設(shè)計(jì)。simulation提供給您功能強(qiáng)大而又快速、精確的設(shè)計(jì)分析工具，確保您的設(shè)計(jì)分析更加輕松。第3章數(shù)控鏜銑床主軸3D設(shè)計(jì)零件建模過(guò)程：首先打開(kāi)solidwork軟件，選擇打開(kāi)，選中文件打開(kāi)。然后進(jìn)行零件建模，具體步驟如下：1.旋轉(zhuǎn)11）選中，右鍵，選編輯草圖：2）退回上一步，重新選中，右鍵，選編輯特征：2.切除-拉伸11）選中，右鍵，選編輯草圖：2）退回上一步，重新選中，右鍵，選編輯特征：3切除-旋轉(zhuǎn)11）選中，右鍵，選編輯草圖：2）退回上一步，重新選中，右鍵，選編輯特征：4切除-旋轉(zhuǎn)21）選中，右鍵，選編輯草圖：2）退回上一步，重新選中，右鍵，選編輯特征：5.切除-拉伸21）選中，右鍵，選編輯草圖：2）退回上一步，重新選中，右鍵，選編輯特征：6.M16螺紋孔，選中右鍵，選編輯特征：7.圓周陣列，選中，右鍵，選編輯特征：8.M16螺紋孔2選中，右鍵，選編輯特征：9.鏡向1選中：右鍵，選編輯特征：10.基準(zhǔn)面1右鍵，選編輯特征：11.切除拉伸31）選中，右鍵，選編輯草圖：2）退回上一步，重新選中，右鍵，選編輯特征：完成的建模：主軸零件圖第4章數(shù)控鏜銑床主軸的有限元分析4.1有限元分析簡(jiǎn)介4.1.1有限元分析的概念有限元方法是用于求解工程中各類(lèi)問(wèn)題的數(shù)值方法。應(yīng)力分析中穩(wěn)態(tài)的、瞬態(tài)的、線性的或非線性的問(wèn)題以及熱傳導(dǎo)、流體流動(dòng)和電磁學(xué)中的問(wèn)題都可以用有限元方法進(jìn)行分析解決。工程問(wèn)題一般是物理情況的數(shù)學(xué)模型，包括邊界條件、特征參數(shù)和擾動(dòng)參數(shù)?？赡艿那闆r下，由給定的條件可以得到系統(tǒng)的精確行為。在許多實(shí)際工程問(wèn)題中，由于控制微風(fēng)方程組的復(fù)雜性或邊界條件和初值條件的難以確定性，我們一般不能得到系統(tǒng)的精確解。為解決這個(gè)問(wèn)題，我們需要借助于數(shù)值方法來(lái)近似。解析解表明了系統(tǒng)在任何點(diǎn)上的精確行為，而數(shù)值解只在稱(chēng)為節(jié)點(diǎn)的離散點(diǎn)上近似于解析解。任何數(shù)值解法的第一步都是離散化。這一過(guò)程將系統(tǒng)分為一些子區(qū)域和節(jié)點(diǎn)。數(shù)值解法可以分為兩大類(lèi)：有限差分法和有限元方法。有限差分法難以解決帶有復(fù)雜幾何條件和復(fù)雜邊界條件的問(wèn)題。有限元方法使用公式方法而不是微分方法來(lái)建立系統(tǒng)的代數(shù)方程組，并假設(shè)代表每個(gè)元素的近似函數(shù)是連續(xù)的，通過(guò)結(jié)合各單獨(dú)的解產(chǎn)生系統(tǒng)的完全解。4.1.2有限元分析的意義驗(yàn)證一個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)劣，可以通過(guò)試驗(yàn)檢驗(yàn)。對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)對(duì)象的結(jié)果往往是非常復(fù)雜和多樣的，難以建立實(shí)際模型逐一驗(yàn)證其性能。這時(shí)，可以運(yùn)用有限元分析軟件，用有限元方法對(duì)其進(jìn)行理論的計(jì)算，檢驗(yàn)其是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。有限元分析的優(yōu)點(diǎn)在于：解決試驗(yàn)難以模擬的情況下的問(wèn)題；節(jié)省試驗(yàn)成本；縮短驗(yàn)證時(shí)間，提高開(kāi)發(fā)效率。4.1.3有限元分析的基本步驟預(yù)處理階段：（1）建立求解域并將之離散化成有限元，即將問(wèn)題分解成節(jié)點(diǎn)和單元。（2）假設(shè)代表單元物理行為的形函數(shù)，即假設(shè)代表單元解的近似連續(xù)函數(shù)。（3）對(duì)單元建立方程。（4）將單元組合成總體的問(wèn)題，構(gòu)造總體剛度矩陣。（5）應(yīng)用邊界條件、初值條件和負(fù)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(diǎn)的值。后處理階段：（7）得到其他重要的信息。4.2有限元分析過(guò)程與步驟（1）創(chuàng)建算例我們要分析的是轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)的內(nèi)容，因?yàn)镾imulation作為SolidWorks的一款插件，在創(chuàng)建前需載入Simulation插件才能使用，在類(lèi)型中選擇“頻率”，如圖4.7，圖4.7Simulation新建算例界面（2）材料定義在Simulation中，軟件提供了許多常用材料供用戶(hù)使用，操作者可以直接使用SolidWorks中的材料，在本例中所有零件的材料出箱體為鑄造碳鋼外，全部定義為“普通碳鋼”，材料屬性窗口見(jiàn)圖4.8，（3）轉(zhuǎn)子軸連接和支撐定義本算例分析的是轉(zhuǎn)子和軸鍵連接機(jī)構(gòu)，為了保證運(yùn)算精度，必須考慮到鍵的連接機(jī)制，對(duì)于軸的支撐使用到的是軸承，在機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)中介紹，軸承的支撐屬于剛性支撐，而在Simulation中，關(guān)于軸承的支撐定義為柔性支撐（見(jiàn)圖4.9），使用者可根據(jù)精度要求全面的計(jì)算出來(lái)。其中徑向載荷為79.42N.m,軸向載荷為218.24N.m。（4）外部載荷的定義本算例中根據(jù)根據(jù)轉(zhuǎn)子軸的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況，定義了一下三個(gè)外部載荷。第一個(gè)載荷是轉(zhuǎn)子所受的引力，對(duì)于引力的定義比較簡(jiǎn)單，選中轉(zhuǎn)子模型，添加引力即可，引力值為默認(rèn)值9.81m/s。第二個(gè)載荷為離心力，由于轉(zhuǎn)子軸做的是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，所以會(huì)產(chǎn)生離心力的作用，由上文可知電機(jī)的轉(zhuǎn)速為1460r/min，即24.3r/min，同時(shí)確定軸的旋轉(zhuǎn)方向即離心力的方向。第三個(gè)載荷為為轉(zhuǎn)子在軸兩端的支撐載荷，默認(rèn)100N/m。（5）求解及結(jié)果分析在設(shè)定好預(yù)定的載荷和約束之后，即可對(duì)模型進(jìn)行求解，求解前要定義求解器的頻率數(shù)，最終生成動(dòng)力學(xué)圖解。（見(jiàn)圖4.9）圖4.8材料屬性窗口4.3主軸靜態(tài)應(yīng)力有限元分析創(chuàng)建算例打開(kāi)“總裝”文件，選擇Simulation創(chuàng)建“新算例”，右擊“算例1”，類(lèi)型選“靜應(yīng)力分析”，選擇重命名，輸入“應(yīng)力”(見(jiàn)圖6.1)。圖6.1創(chuàng)建新算例指定材料屬性在Simulation中，軟件提供了許多常用材料供用戶(hù)使用，操作者可以直接使用SolidWorks中的材料，在本例中所有零件的材料出箱體為鑄造