XK2001机床主轴组件建模与工程分析【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 西安科技大学高新学院 毕业设计（论文） 系 别 ： 机 电 信 息 学 院 专 业 ： 机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名 ： 学 号： 设计 (论文 )题目 ： 床主轴组件建模与工程分析设计 起 迄 日 期 : 设计 (论文 )地点 : 指 导 教 师 : 专业教研室负责人 : 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 要 限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业 领域： 航空航天、工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。 机床主轴 是最常件的零件 ，该 零件 结构较为简单，操作方便，加工精度高，价格低廉，因此得到了广泛的使用。目前很多 机床主轴 都做了适当的改进，使其适用性得到了更大的提高。 本设计是基于 件来 机床主轴 行分析。与传统的计算相比，借助于计算机有限元分析方法能更加快捷和精确的得到结果。设置正确的模型、划分合适的网格，并合理设置求解过程，能够准确的获得分析模型各个部位的应力、变形等结果。对零件的设计和优化有很大的参考作用。 正 是因为上述优点，我在本设计中运用 建立三维模型。再将此模型导入件来对其进行分析。 关键词： 机床主轴 ， 三维建模 ， 动静态分析 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 V is a be to So it be to so is a is it At it is by of be a of On of It is of of in to by to of 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 目 录 摘 要 . . V 目 录 . 6 第 1 章 绪论 . 8 题的目的和意义 . 8 题的研究现状及发展趋势 . 8 床主轴知识 . 9 床主轴的结构特点 . 9 第 2 章 本课题任务和研究方法 . 11 题任务 . 11 析方法 . 11 课题的研究方法 . 12 限元方法介绍 . 12 述 . 12 本思想 . 12 点 . 13 件简介 . 14 第 3 章 床主轴组件理论设计计算 . 15 轴主要参数的计算 . 15 轴前端直径 . 15 轴内径 d . 15 轴前端悬伸量 a 确定 . 16 轴跨距的确定 . 17 的刚度计算 . 17 承的选型 . 18 接触球轴承 . 19 柱滚子轴承 . 20 锥滚子轴承 . 20 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 沟球轴承 . 20 承间隙调整和预紧 . 21 轴组件的刚度和刚度损失的计算 . 21 承的校核 . 23 轴组件的润滑和密封 . 24 轴滚动轴承的润滑 . 24 润滑 . 24 润滑 . 25 轴组件的密封 . 25 第 4 章 确定机床主轴研究对象和 模 . 26 定机床主轴研究对象概述 . 26 轴建模 . 26 承建模 . 27 螺母建模 . 28 轮建模 . 29 他附件建模 . 30 第 5 章 机床主轴的有限元分析 . 34 限元分析的基本步骤 . 34 限元分析过程与步骤 . 34 换模型格式 . 34 体分析操作设置 . 37 体分析操作设置 . 40 析与求解过程 . 46 处理过程 . 48 第六章 总结和机床主轴的优化设计分析 . 52 结论 . - 55 - 参考文献 . - 56 - 致 谢 . - 57 - 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 第 1 章 绪论 题的目的和意义 随着计算机技术的日益普及和 术的蓬勃发展，人们已经广泛采用计算机有限元仿真分析来作为 机床主轴 强度校核的方法。而 机床主轴 向重载、高速、低噪、高可靠性方向发展，现代 机床主轴 设计对传动系统的静、动态特性提出了更高的要求 。 机床主轴 设计的主要内容之一是 机床主轴 。因此，建立比较精确的分析模型，准确的掌握轮齿应力的分布特点和变化规律具有重要的意义。 本文采用在 件中建立模型 ,然后导入到 进行分析相比，既省时省力，又克服了模型转换过程中容易出现的一些问题。根据有限元分析结果，与赫兹公式计算结果进行对比，验证了分析结果的可靠性，在保证结构安全可靠运行的条件下，提高设计制造的效率，降低设计研制成本。 本课题从弹性力学的基本理论出发，以 机床主轴 的有限元分析为重点， 软件平台，借助计算 机对 机床主轴 进行迅速、高效地强度设计分析，正应了当今市场的需求。 题的研究现状及发展趋势 近年来，随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析方法在工程设计和分析中，已成为解决复杂工程分析计算问题的有效途径。有限元作为 术中的一种关键计算方法，自 20 世纪中叶产生以来，以其独有的魅力得到了越来越广泛的发展和应用。目前，已出现了不同形态的有限元方法，并由此产生了一批非常成熟的通用和专业的有限元商业软件。 件是美国 司研制的融合结构、热、流体、电磁场、声 场和耦合场分析与一体的大型通用有限元分析 (件。其用户涵盖了核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、电子、造船、交通、国防军工、土木工程地矿、水利、日用家电和教学科研等众多领域。该软件可在大多数计算机和操作系统上运行，件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容。其基于 菜单系统，让用户能够方便地通过对话框、下拉式菜单和子菜单进行数据输入和功能选择。另外，与多数 件结合使用，实现数据的共享和交换，如 ，是现代产品设计中的高级 具之一。在相继收购了 世界著名有限元分析程序制造公司并将其产品和 合之后， 际上已成为买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 世界上最通用和有效的商业有限元软件。在我国， 件经过多年的经营，商业版用户已达数百家，遍及各个领域，与此同时， 70%以上的理工大学均用 行科学研究及教学 。 床主轴 知识 机床主轴指的是 机床 上带动 工件 或 刀具 旋转的 轴 。通常由主轴、 轴承 和传动件（ 齿轮 或带轮）等组成主轴部件。在机器中主要用来支撑传动零件如齿轮、带轮，传递运动及扭矩，如机床主轴；有的用来装夹工件，如心轴。 1除了 刨床 、 拉床 等主运动为直线运动的机床外，大多数机床都有主轴部件。主轴部件的运动精度和结构刚度是决定加工质量和切削 效率 的重要因素。衡量主轴部件性能的指标主要是旋转精度、刚度和速度适应性。 旋转精度：主轴旋转 时在影响加工精度的方向上出现的径向和轴向跳动（见 形位公差 ），主要决定于主轴和轴承的制造和装配质量。 动、静 刚度 ：主要决定于主轴的弯曲刚度、轴承的刚度和 阻尼 。 速度适应性：允许的最高转速和转速范围，主要决定于轴承的结构和润滑，以及散热条件。 床主轴 的结构特点 机床主轴指的是机床上带动工件或刀具旋转的轴。通常由主轴、轴承和传动件（齿轮或带轮）等组成主轴部件。除了刨床、拉床等主运动为直线运动的机床外，大多数机床都有主轴部件。 机床主轴 部件的运动精度和结构刚度是决定加工质量和切削效率的重要因素。衡量主轴部件性能的指标主要是 旋转精度、刚度和速度适应性。 旋转精度：主轴旋转时在影响加工精度的方向上出现的径向和轴向跳动（见形位公差），主要决定于主轴和轴承的制造和装配质量。 动、静刚度：主要决定于主轴的弯曲刚度、轴承的刚度和阻尼。 速度适应性：允许的最高转速和转速范围，主要决定于轴承的结构和润滑，以及散热条件。 传统结构 的 机床主轴 伸缩套是将花键套与凸缘叉 焊接 在一起，将 花键轴 焊在 机床主轴 管上。而 司的 机床主轴 一改传统结构，将花键套与 机床主轴管焊接成一体，将花键轴与凸缘叉制成一体。并将矩形齿花键改成大压力角渐开线短齿花键，这样既增加了强度又便于挤压成形，适应大 转矩 工况的需要。在伸缩套管和花键轴的牙齿表面，整体涂浸了一层尼龙材料，不仅增加了耐磨性和自润滑性，而且减少了冲击负荷对 机床主轴 的损害，提高了 缓冲能力 。 该型 机床主轴 在凸缘花键轴外增加了一个管形密封保护套，在该保护套端部设置了买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 两道聚氨酯橡胶油封，使伸缩套内形成厂一个完全密封的空间，使伸缩花键轴不受外界沙尘的侵蚀，不仅防尘而 且防锈。因此在装配时在花键轴与套内一次性涂抹润滑脂，就完全可以 满足使用要求，不需要装油嘴润滑，减少了保养内容。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 第 2 章 本课题任务和研究方法 题任务 利用有限元软件 结构分析模块对 机床主轴 进行有限元分析。通过建立 机床主轴 的几何模型、有限元模型， 对分析模型进行 结构应力分析，学会 对有限元分析结果进行分析和优化 。 析方法 依照图示的此种方法对 床主轴 进行仿真分析。在分析 床主轴的应力是需要注意的是 右图在划分网格类型和定义边界条件中间所应夹一接触对的建立的方框，对于应力仿真分析大致与右图的分析方法一致。 选择网格类型、划分网格 定义边界条件、加载 创建模型 定义材料属性、单元类型 做结构静态分析 获取应力分布 拾取应变值 仿真分析 结束仿真 结束 改变实体参数 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 课题的研究方法 由于 身的建模比较繁琐，采用借助第三方 3D 设计软件建立模型，然后导入到 析，也是目前比较公认的快捷方法。本课题借助 计 3D 模型。 限元方法介绍 述 在科学技术领域内，对于许多力学问题和物理问题，人们已经得到了它们遵循的基本方程（常微分方程或偏微分方程）和相应的定解条件，但能用解析 法得出精确解的只是少数方程性质比较简单，且几何形状相对规则的问题，而对于大多数问题，由于方程的某些非线性性质的特征或求解区域几何形状的复杂，不能得到解析结果。部分问题可以通过简化得到简化状态下的解答，但过多的简化会导致解答误差很大甚至完全错误。因此，人们经过多年来的寻找，建立和发展了另一种求解途径和方法 数值解法。有限单元法就是其中得以广泛应用的一种。有限单元法是用于求解各类工程实际问题的方法。应力分析中的稳态、瞬态、线性、非线性的问题以及热力学、流体力学、电磁学和高速冲击动力学问题都可以通过有限元方法得 到解决。自从 20 世纪 60 年代 限单元法（或称有限元法）”这个名称以来，经过 40 多年的发展，它如今已经成为工程分析中应用最广泛的数值计算方法。由于它的通用性和有效性，受到工程技术界的高度重视，伴随着计算机科学和技术的飞速发展，有限单元法现已成为计算机辅助设计和计算机辅助制造的重要组成部分。 本思想 数值分析的任务，就是从无限维空间转化到有限维空间，把连续系统转变为离散系统的结构。有限元法是利用场函数分片多项式逼近模式来实现离散化过程的，也就是说，有限元法依赖于 这样的有限维子空间，它的基函数系是具有微小支集的函数系，这样的函数系与大范围分析相结合，反映了场内任何两个局部地点场变量的相互依赖关系。任何一个局部地点，它的影响函数和影响区域，正是基函数本身和它的支集。在线性力学范畴里，场内处于不同位置的力相互作用产生的能量可用双线性泛函 B( i, j)来表示，其中 i, B( i, j)的大小与 i, 果两个支集的测度为零，则 B( i, j)=0，因此，离散化所得到的方程的系数矩阵是稀疏的。若区域分割得愈细，则支 集不相交的基函数对愈多，矩阵也就愈稀疏，买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 这给数值解法带来了极大的方便。 点 （ 1）物体离散化 将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型，这一步称为单元剖分。离散后单元与单元之间利用单元的节点相互连接起来，单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质，描述变形形态的需要和计算进度而定（一般情况下，单元划分越细则描述变形情况越精确，即越接近实际变形，但计算量也就越大。）所以有限元中分析的结构已不是原有的物体或结构体，而是由新材料的众多单元以一定方式连接成的离散物体。因此，用有限元分析计算所 获得的结果只是近似值，但划分单元数目非常多且合理，则所获得的结果就与实际情况基本相符。 （ 2）单元特性分析 (a) 选择位移模式 在有限元法中，选择节点位移作为基本未知量时称为位移法；选择节点力作为基本未知量时称为力法；取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时称为混合法。位移法易于实现计算自动化，所以在有限元法中位移法应用范围最广。当采用位移法时，物体和结构体在离散化之后，就可以把单元中的一些物理量，如位移、应变和应力等用节点位移来表示，这时可以对单元中位移的分布采用一些能逼近原函数的近似函数 予以描述。通常，有限元法就将位移表示为坐标变量的简单函数，这种函数称为位移模式或位移函数。 (b) 分析单元的力学性质 根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单元节点力和节点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步。此时需要应用弹性力学中的几何方程和物理方程来建立力和位移的方程式，从而导出单元刚度矩阵，这是有限元法的基本步骤之一。 (c) 计算等效节点力 物体离散化后，假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元，但是对于实际的连续体，力是从单元的公共边传递到另一个单元中 去的。因而，这种作用在单元边界上的表面力、体积力和集中力都需要等效地移到节点上去，也就是用等效的节点力来代替所有作用在单元上的力。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 14 (3) 单元组集 利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新连接起来，形成整体的有限元方程： K*q=f 其中： K 是整体结构的刚度矩阵； q 是节点位移列阵； f 是载荷列阵。 (4) 求解未知节点位移 求解有限元方程式可以得出位移。这里，可以根据方程组的具体特点来选择合适的计算方法。通过上述分析可以看出，有限元的基本思想是“一分一合”，分是为了进行单元分析，合则 是为了对整体结构进行综合分析。 件简介 件是融合结构、热、流体、电磁场、声场和耦合场分析与一体的大型通用有限元分析 (件。它是由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国 能与多数 件接口，实现数据的共享和交换，如 ，是现代产品设计中的高级 具之一。件是第一个通过 量认证的大型分析设计类软件，是美国机械工程师协会 国核 安全局 近 20 种专业技术协会认证的标准分析软件。在国内，它第一个通过了中国压力容器标准化技术委员会认证并在国务院 17 个部委推广使用。 件主要包括三部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。前处理模块 析计算模块 处理模块 处理模块供了一个强大的实体建模和网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块 括结构分析、流体力学分析、电磁场分析、声场分析。压电分析及多物理场 的耦合分析，可模拟多重物理介质的相互作用，具有灵敏度分析和优化分析能力；后处理模块 将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示等图形方式显示出来。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 第 3 章 床主轴组件 理论设计计算 轴主要参数的计算 主轴的主要参数是：主轴前端直径 轴内径 d。主轴悬伸量 。 轴前端直径 轴 电机功率）如下表 5 功率（ 床 11 车床 60 80 70 90 70 105 95 130 110 145 铣床及加工中心 50 90 60 90 60 95 75 100 90 105 外圆磨床 50 60 55 70 70 80 75 90 表 5床、铣床、镗床、加工中心等机床因装配的需要，主轴直径常是自前往后逐渐减小的。前轴颈直径 2。对于车、铣床一般21( 0 . 7 0 . 9 )，由上表可取 10 因此可知由式子 21( 0 . 7 0 . 9 )后端直径2 1 1 0 0 . 7 5 8 2 . 5D m m 圆整后 2 80D 主轴内径 d 主轴内孔径与机床类型有关，主要用来通过棒料、镗杆、拉杆或顶尖。确定内孔径原则是为减轻主轴重量，在满足对空心主轴孔径要求和最小壁厚要求下，应取最大值。 主轴的内径是通过刀具夹具装置固定刀具、传动气动或液压卡盘等。主轴孔径越大，主轴部件的相对重量就越轻。主轴的孔径大小主要受主轴刚度的 制约。主轴的孔径与主轴直径之比，小于 于 0%；大于 心主轴的刚度就急剧下降。一般可取其比值为 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 16 主轴本身刚度 4111 ( )kI D 空 空实 实 由式子可知取孔径的直径极限 1 1 m a x 10 此时若孔径再大，刚度急剧下降 根据推荐值 110 ， 5 主轴前端悬伸量 a 确定 图 3轴悬伸量指主轴前端面到前支承径向反力作用中点（一般即为前径支撑中点）的距离，参考（ 1）表 主要取决于主轴前端部结构形式和尺寸，前支撑轴承配置和密封等。因此主要由结构设计确定。 悬伸量与主轴部件的刚度及抗振性成反比，故应尽量取小值。 1 2初选 车床和主轴类型 11买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 17 精密车床、自动车床用滚动轴承支承，适用高精度和普通精度要求 等长度和较长主轴端的车床和铣床，悬伸不太长（不是细长）的精密镗床和内圆磨床，用滚动轴承和滑动轴承支承适用于绝大部分普通生产要求 3算得悬伸量为 80 主 轴跨距的确定 主轴跨距是决定主轴系统动静刚度的重要影响因素，目的是找出在切削力作用下，主轴前端的柔度值最小的跨距称为最优跨距（0l）。实验证明，动态作用下最优跨距很接近于推得最优值，因此设计时尽量达到最优值。 前端角接触球轴承的刚度（主要为轴向刚度） 2533 . 4 4 3 s i n 3 3 2 . 3 7 0a a b d z m 其中 ： 0 F 内径为 110参考（ 2）表 5 20z 1 9 查轴承样本额定动载荷 74c K N 取 10e 7400 0 1380 计算得主轴跨距为 300的刚度计算 如果主轴前后轴承由数段组成，则当量直径 d 1 1 2 2 l d l d ld l L （ （参考文献 2） 式中 1d 、 1l 、 2d 、 2l 、 分别为各段的直径和长度（）； 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 18 l 总长， 12 ()nl l l l m m L 如果前后轴承的直径相差不大，也可把前后轴承直径的平均值近似地作为当量直径d。 主轴的前悬伸部分较粗，刚度较高，其变形可以忽略不记，后悬伸部分不影响刚度，也可不计算。如主轴前端作用一外载荷 考文献 3） 图 3轴组件计算模型 则挠度 ： 22 3( ) 1 033s F a l F a E l （参考文献 2） 25 4 41 3 2 7 4 9 0 3 0 03 2 1 0 0 . 0 5 ( 1 1 0 6 6 )6 . 6 7 式中 F 外载荷（ N）； a 前悬伸，等于载荷作用点至前支承点间的距离（ l 跨距，等于前后支承的距离（ E 弹性模量，钢的 52 1 0 ( )E M P a ； I 截面惯性距 , 4 4 40 . 0 5 ( ) ( )iI d d m m； 主轴的外径和孔径（ 又因为 / 孔的影响可以忽略由此可得主轴刚度满足要 求。 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。在数控机床上主轴轴承常用的有滚动轴买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 19 承和滑动轴承。 滚动轴承摩擦阻力小，可以预紧，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。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 轴在套筒内能够做轴向移动的主轴。这时用滚动轴承可以用润滑脂润滑，以避免漏油。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，主轴轴承间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的刚度高，但一定温升下允许的转速较低，下面就简述几种常用的数控机床主轴的机构及适用范围。 接触球轴承 这种轴承既可以承受径向载荷又可以承受轴向载荷。常用的接触角主要有两种： =25， =15，其中 =25的编号为 7000代号为 46100型），属于特轻型；或编号为 7190代号为 46900型），属于超轻型。 =15的编号为 7000代号为 36100型），属于特轻型；或编号为 7190编号为 7190代号为 1036900型），属于超轻型。如图 3考文献 2） 图 3角接触球轴承多用于高速主轴，随接触角的不同，其应用有所区别， =25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； =15的转速可更高一些，但是轴向刚度较低，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。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 20 图 3这种轴承为点接触，刚度较低。为了提高刚度和承载能力，常用多联组配的方法。所以本设计前支承采用双联组配的方式，代号为 柱滚子轴承 图 3考文献 2），他的特点是内孔为 1： 12的锥孔，与主轴的锥行轴径相配合。轴向移动为内圈，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。 图 3锥滚子轴承 圆锥滚子轴承既能承受径向载荷 ，又能承受双向的轴向载荷，滚子数量大，故刚度和承载能力均较大。由于圆锥滚子轴承是外缘凸肩轴向定位，因而箱体上通孔加工方便，但缺点是滚子大端的端面与内圈挡边之间为滑动摩擦，发热较大，故允许的极限转速较低。 沟球轴承 这种轴承只能承受径向载荷，轴向载荷则由配套的推力轴承承受。此种轴承一般不能调整，常用于精度要求和刚度要求不太高的地方。 在本设计中，前轴承采用角接触球轴承以适应较高速的要求。主轴轴向载荷较大，故选用接触角 25的轴承。轴向力的方向是从轴 头部指向尾部，故前轴承采