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机床 主轴 振动 分析

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机床主轴的振动模态分析,机床,主轴,振动,分析

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湘潭大学兴湘学院毕业设计说明书题 目：机床主轴的振动模态分析专 业：机械设计制造及其自动化学 号： 2006183836 姓 名： 彭泓龙 指导教师： 周里群 完成日期： 2010年5月30日 湘潭大学兴湘学院毕业论文（设计）任务书论文（设计）题目： CK6125机床主轴振动的有限元模态分析 学号： 2006183836 姓名： 彭泓龙 专业： 机械设计制造及其自动化 指导教师： 周里群 系主任： 一、主要内容及基本要求1、总结了机床、动态设计方法研究和机床主轴动静态研究的发展状况和发展趋势，在总结前人研究成果的基础上，结合当前的技术发展趋势，采用有限元方法来进行开展研究。2、阐述学习理论基础，即振动理论(模态分析理论),简要论述了模态参数,识别原理。3、简要论述了有限元方法和动力学分析的基本求解过程，建立机床主轴有限元模型，合理的确定了载荷、轴承支承刚度和约束条件，选定了单元类型。采用Lanczos法对其进行自由模态分析，得到主轴的固有频率和振型，找出工作时容易发生共振的频率域,为进一步提高精度和转速提供理论依据。4、完成一篇关于机械方面外文期刊的翻译，字数要求3000 。二、重点研究的问题1、 ANSYS的线性静力分析 2、 构建几何模型 3、 有限元模型建立 4、 单元类型选择和网格划分 5、ANSYS动力分析和模态分析 三、进度安排序号各阶段完成的内容完成时间1查阅资料、调研2010年3月上旬2开题报告、制订设计方案 2010年3月中、下旬3设计2010年4月4分析、验证2010年5月上旬5写出初稿2010年5月中旬6修改，写出第二稿2010年5月下旬7写出正式稿2010年6月初8答辩2010年6月7日四、应收集的资料及主要参考文献1黄雨华、董遇泰.现代机械设计理论和方法M，沈阳:东北大学出版社，2001,200-2212张耀满、王旭东、蔡光起、滕立波.高速机床有限元分析及其动态性能试验J，组合机床与自动化加工技术，2004, 12, 15-173王启义、蔡群礼、胡宝珍.金属切削机床设计M，沈阳:东北工学院出版社，1989,41-464Bollinger.J.Gand Geiger. G Analysis of the Static and Dynamic Behavior of Lathe SpindlesJ，J.Mach. Tool Ues.Res,Vo1.3,1994,193-2095Reddy, V .R. and Sharan. A.M. The finite-Element Modeled design of Lathe Spindle: The static and Dynamic AnalysisJ. ASMI: Journal of Vibrations, Acoustics, Stress and Reliability in design; Vol. 109. 19876Sadeghipour, K. and Cowlcy.A. The Receptance Sensitivity and the Effect of Concentrated Mass Inserts on the Model Balance of Spindle-Bearing System. J.Mach.Tool Des.Vol26; NoA, 1988, 415-4297 Spur G等.主轴一轴承系统的计算:利用结构修正法确定静态和动态性能.国外轴承，1991，(4)8Bert R Jorgensen, Yung C Shin. Dynamics of Spindle-Bearing Systems at High Speeds Including Cutting Load Effects. Transactions of the ASME Journal of Manufacturing Science and Engineering, 1998, 120: 387-3999G D. Hagiu et aLDynamic Characteristics of High Speed Angular Contact Ball Bearings .Wear, 1997,211(1):22-2910付华.主轴部件的动态特性及动力修改D，江苏工学院，199211肖曙红.前支承为三联角接触球轴承的主轴组件的性能分析和简化计算D大连理工大学，199412费仁元、黄旭东、杨家华、宋国荣、殷德义、邢巨恒.主轴部件动态参数确立的实验方法研究J，北京工业大学学报，1999,(0):33-3813史安娜、王浩.主轴部件三维实体模型的有限元分析法阴，机械设计与制造，2000,2: 18-2014刘素华.加工中心用电主轴的研究与设计D，北京理工大学，2000湘潭大学兴湘学院毕业论文（设计）评阅表学号 2006183836 姓名 彭泓龙 专业 机械设计制造及其自动化 毕业论文（设计说明书）题目： CKS6125机床主轴振动的有限元模态分析 评价项目评 价 内 容选题1.是否符合培养目标，体现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到综合训练的目的；2.难度、份量是否适当；3.是否与生产、科研、社会等实际相结合。能力1.是否有查阅文献、综合归纳资料的能力；2.是否有综合运用知识的能力；3.是否具备研究方案的设计能力、研究方法和手段的运用能力；4.是否具备一定的外文与计算机应用能力；5.工科是否有经济分析能力。论文（设计）质量1.立论是否正确，论述是否充分，结构是否严谨合理；实验是否正确，设计、计算、分析处理是否科学；技术用语是否准确，符号是否统一，图表图纸是否完备、整洁、正确，引文是否规范；2.文字是否通顺，有无观点提炼，综合概括能力如何；3.有无理论价值或实际应用价值，有无创新之处。综合评 价评阅人： 2010年6月 日 湘潭大学兴湘学院 毕业论文（设计）鉴定意见 学号： 2006183836 姓名： 彭泓龙 专业： 机械设计及其自动化 毕业论文（设计说明书） 25 页 图 表 0 张论文（设计）题目： CKS6125机床主轴振动的有限元模态分析 内容提要： 主轴选的是沈阳机床一厂生产的CKS6125型数控车床主轴为试验对象，主轴实体模型采用Solid45单元，另外主轴材料主要采用40Cr钢,利用ANSYS有限元软件对主轴进行静、动态特性分析，确定合理的边界条件，改善主轴部件的静动态特性，并采用合理的数学建模方法进行对比分析。简叙了模态分析理论的基本概念和原理, 对数车床主轴数值模拟计算这个方面进行了结构动力学的分析和研究。论述了有限元方法和动力学分析的基本求解过程，建立机床主轴有限元模型，合理的确定了载荷、轴承支承刚度和约束条件，选定了单元类型。采用Lanczos法对其进行自由模态分析，得到主轴的5个固有频率和振型，求出主轴的前五阶固有频率为:0.759e-4Hz、874.74Hz、874.74Hz、1019Hz、1019Hz，找出工作时容易发生共振的频率域，采用ANSYS对机床主轴进行模态分析验算, 为进一步提高精度和转速提供理论依据,为进行结构改进提供理论指导。指导教师评语该生在毕业设计中认真主动，及时完成了指导老师规定的任务。较好的熟悉了ANSYS软件，建模方案合理，求解正确，较好的完成了课题中提出的实际问题。设计期间遵守校规校纪，表现良好，成绩建议评为中等指导教师：年 月 日 答辩简要情况及评语答辩小组组长：年 月 日答辩委员会意见答辩委员会主任： 年 月 日目录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 课题研究的背景及意义11.2 数控机床主轴研究现状21.3 主轴性能研究概况31.4 本课题的研究内容4第二章 理论基础62.1 模态分析理论62.2 本章小节10第三章 机床主轴的有限元分析113.1 有限元简介及ANSYS软件应用113.1.2 ANSYS软件应用12 ANSYS的线性静力分析12 分析步骤123.2 机床主轴有限元分析模型123.2.1 构建几何模型123.2.2 有限元模型建立133.2.3 单元类型选择和网格划分143.3 机床主轴振动模态分析163.3.1 ANSYS动力分析163.3.2 模态分析173.4 本章小结21结论22参考文献23致谢24附录一 英文文献翻译附录二 英文文献原件 机床主轴振动的有限元模态分析摘 要：机床发展日益朝向高速度和高精度的方向发展，这对机床的设计提出了更高的要求，需要采用更加先进和合理的设计方法来完成机床设计。作为一种先进的设计手段，动态设计方法已经成为企业提高竞争力的重要方面。要进行动态设计，前提是对机床的动态性能作出正确的分析。主轴是数控机床的重要组成部分，其动态特性的好坏对机床的性能有着重要的影响。因此，对主轴部件进行动态特性分析十分必要。为了提高机床的设计水平，将现代化的设计方法应用于机床的设计，主要是对现有数控机床CKS6125主轴振动进行模态分析，为进一步进行动态设计打基础。本文态参数,识别原理；(1) 简要论述了有限元方法和动力学分析的基本求解过程，建立机床主轴有限元模型，合理的确定了载荷、轴承支承刚度和约束条件，选定了单元类型。采用Lanczos法对其进行自由模的具体研究内容；(2)总结了机床、动态设计方法研究和机床主轴动静态研究的发展状况和发展趋势，在总结前人研究成果的基础上，结合当前的技术发展趋势，采用有限元方法来进行开展研究；(3) 简要论述了模态分析，得到主轴的固有频率和振型，找出工作时容易发生共振的频率域,为进一步提高精度和转速提供理论依据。关键词:有限元分析；模态分析；机床主轴；振动Spindle vibration modal analysis by finite element methodABSTRACTHigh-speed and high-accuracy are the trends in development of machine tool, we need to use advanced and appropriate method to design machine tool. As a way to improve enterprises competitive power, the dynamic design method has been played an important role. The analysis of dynamic performance is the premise of dynamic design. Spindle is a key part of CNC machine; its performance will affect the machines performance and quality of work piece mostly. Its dynamic characteristic is an important influence for the function of the tool machine. To improve design level and use advanced design chose Machine Tools CKS6125 to do study on dynamic performance and application. The paper is based on the study and the mainly work is study on dynamic performance of Machine Tools Spindle which can provide a foundation for dynamic design. The contents are: (1) In the paper, the development trends of machine tool and dynamic design are summarized. And the FEA methods are taken to use. (2)The basic resolving processes about the modal parameters identifier theory. (3) The basic resolving processes about static analysis and kinetic analysis. The solid model of spindle is established. During the building of the model, the load on the spindle, the supporting stiffness of bearing, the boundary and elements are analyzed correctly. The modal frequency and modal shape characteristics are obtained by FEM modal analysis with the Lanczos method. And the frequency region of the resonance in work is obtained. It provides theoretical basis for promoting the precision and rotational speed of the spindle parts.Key words: Finite Element Method; Modal Analysis; Spindle; vibrationII第一章 绪论1.1课题研究的背景及意义 制造业是体现一个国家综合实力的重要方面，是国家财富的主要创造者世界上凡是发达国家都拥有高水平的制造业。而装备制造业作为整个国家工业部门的装备提供者，其水平的高低决定了我国制造业的国际竞争力，特别是我国加入到WTO以后，行业竞争更加激烈，已经关系到我们国家现代化的进程和民族的复兴，因此提高我国装备制造业的整体技术水平具有重大的理论和现实意义。在当前的振兴过程中，我们应该清醒的认识到我国装备制造业和发达国家的差距，不能只看到眼前的一时繁荣。特别是机床行业，在设计水平上与发达国家有着比较大的差距，缺少创新和突破，掌握核心技术较少，特别在高端的产品领域，竞争力还不够强大。同时由于工业、农业、国防与科学技术的发展，对机械设备提出了越来越高的要求，同时现代产品的更新速度比较快，为了提高产品的市场竞争力，就要缩短产品生产设计周期，提高产品设计的水平。为了实现这个要求，要求产品设计人员在产品物理样机设计完成后，在产品的物理样机制造出来之前，能够对产品的各项性能进行评价，了解和掌握产品的静动态性能，从而可以在产品投产之前对设计进行修改和结构优化，提高设计的成功率和产品质量。 动态设计就是机械结构和机器系统的动态性能在图纸设计阶段就得到预测和优化，整个设计过程实质上是运用动态分析技术，借助计算机辅助设计和计算机辅助分析的方法来实现的。长期以来，国内的机床设计多为经验模拟设计，结构设计计算沿用传统的计算方法，如材料力学、结构力学以及弹性力学的一些公式进行计算。这些公式的推导多以强度方面的理论为主，辅以实验和测试方法得出，具有一定的可靠性。但由于机床结构的复杂，计算过程中的数学模型对结构进行了许多简化，导致了计算的精度差异较大。同时凭借简单的计算工具，计算繁冗，时间很长，有些项目无法计算。因此，利用传统的模拟设计方法进行机床设计虽然可以对机床或某些组成的零部件进行综合或者部分的技术性能实验，但是受实验手段和方法的限制，还不能够进行深入的研究，从而根本上也谈不上优化设计以及动态设计，多为“设计制造修改设计制造”周期循环，有些甚至经过几代才可能形成比较好的产品，费时费力，效率低下。 动态设计的原则:目标是保证机械满足其功能前提要求的条件下具有较高的动刚度，使其经济合理、运转平稳、可靠。要从总体上把握机械结构的固有频率、振型和阻尼比。具体为:避开共振，避开率应在15%-20%；降低机器运行过程中的振动幅度；结构各阶模态刚度最大且尽量相等；结构的各阶模态阻尼比要尽量高；避免结构疲劳破坏；提高振动稳定性。 设计步骤: (1)建立机械结构或机械系统的动力学模型，根据设计图纸建立力学模型，也可以应用试验模态分析技术建立结构的试验模型； (2)利用数学模型求解自由振动方程得到结构振动的固有特性，引入外部激励可以进行动力响应分析； (3)动态性能评定； (4)结构修改和优化设计1。1.2数控机床主轴研究现状我国数控技术的开发始于1958年，几乎与国外同时起步。但由于自身技术的落后，研制进展十分缓慢。但“九五”以来，我国机床在关键技术的突破上主要表现在以下方面：（1） 数控系统网络化、集成化。应用PC机开发出了8轴联动，可控48轴的分布式数控系统，以及可靠性达到15000小时的高分辨率数控系统。（2） 实现了高速主轴、快速进给、高速换刀机构的“三高”技术的突破。国产加工中心的主轴转速可以达到1万1.2万rpm，快速进给一般都能达到3040m/min。（3） 静压技术、精密传动技术的突破，有效地提高了重型机床的主轴精度和定位精度。如武汉重型机床厂和齐齐哈尔第一机床厂开发的精密双齿轮条传动系统，大大消除了齿轮传动间隙，提高了传动精度。在机床主轴转速方面，我国取得了长足的进步，但与国外的差距还是很大。在80年代之前，我国机床主轴转速一般都不到2000rpm。进入90年代，机床厂商和各高校都加紧了新产品的研制。国内有些厂家也生产出转速上5000rpm。如：上海明精机床公司生产的2HM-007/25T型高速数控车床，主轴最高转速7500rpm；南京机床厂生产的CK1416/12、1425/34型高速数控车床，主轴最高转速6000rpm；上海肯信精密机器制造有限公司生产的KSJM6130C/6132C型高速精密数控车床最高转速也是5000rpm。在国际上，数控机床高速化发展也经历了几个过程，其如表1-1所示。表1-1数控机床高速化发展过程时间60年代70年代80年代90年代21世纪初主轴转速(rpm)1000-20002000-40002000-60004000-1000010000-15000 主轴是数控机床的关键部件，在其前部安装工件、刀具，直接参与切削加工，对机床的加工精度，工件表面质量和生产效率有很大的影响，其性能的好坏将对机床的最终性能和加工工件的质量有非常重要的影响。据研究表明中型车床在不同频率的动载荷作用下，各个部件反映在刀具与工件切削处的综合位移中主轴部件所占比例最大，未处于共振状态下占30%-40%，共振状态下占60%-80%2。对于数控机床的主轴部件常用的结构主要有以下几种形式:(1)对于高速高精度机床，为了实现高的主轴转速，采用主轴电机结构；(2)对于中等要求的数控机床，采用主轴电机，驱动经过减速机构驱动(采用齿轮传动和同步带传动)的专用主轴生产厂生产的主轴；(3)对于一般的数控机床(经济型数控机床)，采用交流电机经过皮带传动，再经过主轴变速箱体(其结构与普通机床的主轴箱有很大的不同)实现主轴的变速3。数控机床的主传动无论采用上面那种结构，设计人员都应该非常重视主轴部件的设计和机床主轴部件的动态性能。采用传统的设计方法，在机床的物理样机制造出来之前，人们不能准确知道机床及其主轴部件的动态性能，需要制造出物理样机通过试验来确定，一旦设计达不到要求性能，一切需要重来。近年随着计算机及其相关软硬件技术的发展促进了虚拟样机技术的快速发展，同时成熟的CAE建模和分析软件技术使产品动态设计成为可能。1.3主轴性能研究概况 机床主轴的动静态特性主要就是固有频率、受力变形、临界转速、动态响应等，由于其重要性，国内外的才昆多单位和研究机构很早就开始了机床动态设计的相关研究工作，也获得一系列的成果。 在60年代以前，一般采用经验模拟法设计，方法繁琐，精度低。60年代以后由于计算机技术和计算方法的进步，出现了有限差分法、结构分析法、有限元法、结构修正法，模态法等大量方法。 在国外，1964年，Bollinger将轴承模拟为一个简单的径向弹簧和阻尼器，采用有限差分模型分析了车床主轴的特性41985年Red即和Sharan应用有限元模型研究车床主轴的动态特性及其设计5。1988年Sadeghipor将动柔度分析引人对主轴系统的动力特性和动态设计的研究之中6。1992年，Spur.G等利用结构修正法分析了切削机床的主轴一轴承的静态和动态性能，但只是考虑轴承径向一个自由度，并且忽略了轴向、力矩方向的自由度，更忽略了轴承刚度的非线性7。1997年，美国普渡大学的Bert.R.Jorgensen和、ixng.C. Shin推出了一个包括热变形的轴承载荷一变形模型，并与离散的主轴动态模型结合在一起，这一模型可以得到主轴固有频率、轴承刚度和热变形较好的计算值8。同年，Tsutsumi等人研究了滚动轴承的动态性能对主轴振动特性的影响。Yhland建立了仅受球轴承几何缺陷激励的无阻尼主轴轴承系统的线性分析模型，该模型在主轴的中、低速有效9。而国内从事这一领域研究的也很多，特别是早期对普通主轴动特性的研究。1992年，江苏工学院的付华应用试验模态分析与有限元计算相结合的方法，对传统主轴部件进行了动力特性分析，并对主轴进行了动力修改10。1994年，大连理工大学的肖曙红用有限元结合迭代的分析方法，编制了主轴组件静、动特性分析软件SAAS11。1999年，北京工业大学的费仁元等采用实验方法对复杂的主轴部件进行了动态特性分析12。2000年，沈阳工业学院的史安娜等对主轴部件建立了空间梁单元模型，并在此基础上对其静动态特性进行了分析13。同年，北京理工大学的刘素华利用有限元分析软件ALGORFEAS对电主轴的动静态特性进行了分析14。 2001年，杨曼云等利用MSC. Nastran软件对TH6350卧式加工中心的主轴系统进行了静、动态特性分析15。武汉理工大学的杨光等利用传递矩阵法对电主轴系统进行了动力学特性分析16。2003年，无锡机床股份有限公司的蔡英等基于Riccatti传递矩阵法，对MK2120A型内圆磨床的高速主轴系统进行了动力学特性分析17。从国内外研究的情况看，对高速主轴的一些基本特性都被人们所认识，高速主轴的静刚度，热特性，高速轴承特性等都逐渐被人们所掌握。但是，数控机床的高速化不是简单分析零件就能行的。提升主轴的转速是要综合分析主轴部件，特别是要掌握主轴与主轴箱的固有特性，即二者的振动频率，阻尼比等参数。只有系统的对主轴和主轴箱的静、动态特性分析，才能全面掌握影响主轴部件转速的因素。本课题就是要研究机床主轴的动静态特性，由上述各文献所总结的经验可知，其主要任务是计算轴承的刚度、建立合理有效的模型，特别是轴承部分的简化，再对模型进行静变形、模态及响应等各方面的分析，得到固有频率、振型等参数。其中轴承刚度的计算较复杂，静刚度可用经验公式计算得出；而动刚度的计算部分则要考虑主轴高速运转条件下对轴承的影响，目前在国内还未见到简便有效的计算方法，本文做了初步讨论。1.4本课题的研究内容 本课题采用ANSYS有限元软件来分析主轴的动静态特性。ANSYS软件是一个应用广泛的工程有限元分析软件，主要是利用有限元法将所探讨的工程系统转化成一个有限元系统，该有限元系统由节点及元素所组合而成，以取代原有的工程系统，有限元系统可以转化成一个数学模式，并根据该数学模式得到该有限元系统的解答，且可以通过节点、元素把结果表现出来。完整的有限元模型除了节点、元素外，还包含工程系统本身所具有的边界条件，如约束条件、外力的负载等。 利用ANSYS有限元软件对主轴进行静、动态特性分析，确定合理的边界条件，改善主轴部件的静动态特性，并采用合理的数学建模方法进行对比分析，最后以沈阳机床一厂生产的CKS6125型数控车床为研究对象，检验前面进行的理论分析，从而得出合理的设计方法，为实现产品的动态设计打下基础。具体工作分为以下几个部分: (1)总结了机床、动态设计方法研究和机床主轴动静态研究的发展状况和发展趋势，在总结前人研究成果的基础上，结合当前的技术发展趋势，采用有限元方法来进行开展研究； (2)阐述学习理论基础，即振动理论(模态分析理论),简要论述了模态参数,识别原理； (3)简要论述了有限元方法和动力学分析的基本求解过程，建立机床主轴有限元模型，合理的确定了载荷、轴承支承刚度和约束条件，选定了单元类型。采用Lanczos法对其进行自由模态分析，得到主轴的固有频率和振型，找出工作时容易发生共振的频率域,为进一步提高精度和转速提供理论依据。43第2章 理论基础在对运动系统的结构动力学特性研究中，模态分析是近年来被广泛采用的一种研究手段。它的主要方法是将耦合的运动方程组解耦成为相互独立的方程，通过求解每个独立的方程得到各模态的特性参数，进而就可以用所求得的模态参数来预测和分析该系统的运动特性等18。由于首先通过线性坐标变换的方法解耦运动方程，所以对于求解多自由度系统的运动方程，模态分析具有其他计算方法所不能替代的优势。数控机床主轴是形状不规则的多自由度系统，本文采用模态分析的方法研究它们的结构动力学特性。模态分析的具体研究方法根据其手段的不同主要分为两种:基于有限元法的计算模态分析和基于测试技术的实验模态分析。2.1模态分析理论模态分析的理论是在机械阻抗与导纳的概念上发展起来的。近十余年来，模态分析理论吸取了振动理论、信号分析、数据处理、数理统计以及自动控制理论的知识，形成了一套独特的理论，它已经成为近年来应用于结构动力学研究的重要方法19。模态分析的基本原理是：将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。坐标的变换矩阵为模态矩阵，其每一列为模态振型。由振动理论，系统任一点的响应均可表示为各阶模态响应的线性组合。因而，通过求出的各阶模态参数就可以得到任意激励下任意位置处的系统响应。模态分析的最终目标是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力学特性的优化设计提供依据。工程中较复杂的振动问题多为象机床主轴箱这样的多自由度系统。对于多自由度系统利用矩阵分析方法，N自由度线性定常系统的运动微分方程为: （2-1）其中，M,C,K分别表示系统的质量、阻尼和刚度矩阵(均为NN阶矩阵)，X,F表示系统各点位置上的位移响应和激励力向量。 （2-2） 方程(2-1)中是用各坐标点的位移、速度和加速度(, , )描述的运动方程组，其中每一个方程中均包含了系统的各个物理坐标点的影响，所以是耦合的运动方程。对于耦合的运动方程，当系统的自由度数比较大时，要对其求解是非常困难的。模态分析的基本思想就是对这样耦合的运动方程进行解耦，使其变成为非耦合的、独立的运动微分方程组。对(2-1)式两边进行拉氏变换，得到 (2-3)式中的拉氏因子： (2-4)X(s)，F(s)是位移响应与激励力的拉氏变换 由式(2-3)可以得到传递函数矩阵为 (2-5）令 就可以得出傅氏域中的频响函数矩阵，为系统的固有频率。 (2-6)此时系统的运动方程为： (2-7)因为系统任一点的响应可以用各阶模态响应的线性组合来表示，所以将点的响应表示为: (2-8)式中，为第个测点，第r阶模态的振型系数。N 个测点的振型系数所组成的列向量。 (2-9)称为第r阶模态向量，反映该阶模态的振动形状。由各阶模态向量组成(NN)阶的模态矩阵为： (2-10）(2-8)式中的为第r阶模态坐标，可以理解为各阶模态对响应的加权系数。一般来说，能量主要集中于低阶模态，所以与高阶模态相比低阶模态具有较大的系数。令可以将系统的响应列向量表示为： (2-11)将(2-11)式带入(2-7)式得到： (2-12)下面分别从有阻尼和无阻尼两种情况讨论。（1）无阻尼自由振动对于无阻尼系统矩阵C=0，此时(2-12)式成为 (2-13）即： (2-14)对第r阶模态有： (2-15）上式左乘,可得： (2-16)可得对于第s阶模态的(2-14)式进行转置并右乘,得： (2-17)由于K,M为对称阵,有(2-16)式与(2-17)式相减得到： (2-18) 通常情况下：所以可得： (2-19)同样可得： (2-20)当时，同(2.15)式可得： （2-21） 令 （2-22） (2-23)其中与分别称为第r阶的模态刚度及模态质量。由以上公式可以得到模态的重要特性模态正交性。由振动理论，一个无阻尼系统的各阶模态称为主模态。各阶模态向量所张成的空间称为主空间，其相对应的模态坐标称为主坐标，各阶主模态在其N维主空间中正交。对(2-13)式左乘，并由正交性可得： （2-24）即： (2-25)其中和均为对角阵。由此可以看出，原运动方程变为了非耦合的方程组。（2）有阻尼系统对于有阻尼的系统，通常情况下假设为比例阻尼就可以得到比较好的近似解，其运动微分方程为： (2-26)比例阻尼满足下列条件： (2-27)其中,为比例系数。对其进行解耦变换： (2-28) 通常情况下并不是对角阵，这使得求解变得非常复杂，在工程中对其进行忽略非对角元素的近似处理，简化为对角阵，称为模态阻尼。由此可将系统的运动方程表示为： (2-29)即对第r阶模态有： (2-30)即对第r阶模态有其中。本文对数控车床主轴数值模拟计算这个方面进行了结构动力学的分析和研究，在后面的章节中做了详细说明。2.2本章小节本章简叙了模态分析理论的基本概念和原理，对后面章节提供了理论依据。第3章 机床主轴的有限元分析3.1有限元简介及ANSYS软件应用 3.1.1有限元概述有限元法是根据变分原理求解问题的数值方法，是数学和工程结合的产物，在工程领域应用广泛。该法早在20世纪40年代就已出现。1943年Courant首先提出将一个连续求解域分成有限个分片连续的小区域的组合，即离散化的概念，用来求解St.venant扭转问题。1954年，德国阿亨大学J.H.Argyris教授运用系统的最小势能原理，得到了系统的刚度方程，使得已经成熟的杆系结构矩阵分析方法，可以用于连续介质的分析当中。航空工业的发展也促进了有限元的近一步发展。1956年，美国波音公司的M.J.Turner和R.W.Clough等人在分析大型飞机结构时，第一次采用了直接刚度法，给出了三角形单元求解平面应力问题的正确解答，从而开创了利用计算机求解复杂弹性平面问题的新局面。Finite Element”这一术语是R. W Clough于1960年在一篇论文首次提出。60年代初，CY.N.White和K.O.Friedrichs采用了规则的三角形单元，从变分原理出发来求解微分方程式。1963到1964年，J.F.Bessling等人证明了有限元法是基于变分原理的Ritz(里兹)法的另一种形式，此后有限元法才开始巩固其地位。1969年，英国O.C.Zienkiewecz教授提出了等参元的概念，从而使得有限元更加普及和完善，在理论和工程应用都得到了飞速的发展。当前有限元法己有弹性力学的平面问题扩展到了空间问题，板壳问题；由线性到非线性问题，如塑性分析和疲劳分析；由静力分析到动力分析；而且扩展到多个领域，如流体力学、电磁学、传热学等。有限元方法的基础就是结构离散和插值。有限元法是先将连续体划分为有限个规则形状的单元体，相邻单元之间通过若干个结点相互联接。作用于单元上的外载荷，按等效原则移植为结点载荷。用划分后的有限个小单元的集合体，代替原来的连续体，此过程即为连续体的离散化。根据结点参数作为基本未知量，根据所取结点的基本未知量的不同，可将其分为: (1)位移法，以结点位移作为基本未知量的方法； (2)力法，以结点力作为基本未知量的方法； (3)混合法，以部分结点位移和部分结点里作为基本未知量的方法。工程上应用比较广泛的是位移法，即以单元结点位移为待求的基本未知量，单元内其余各点的位移则通过结点位移用插值函数求得。因此，每个单元需要选取一简单的插值函数，用以近似表达单元内各点位移的分布规律，并把单元任一点位移分量写成统一形式的位移插值函数式，丛而可通过单元结点位移向量，表达单元内任一点位移、应变和应力。同时在保证单元满足平衡、连续和物理性质等制约条件下，利用变分原理或虚功原理建立单元结点力向量和结点位移向量之间的特性关系，即建立单元有限元方程式。此过程称为单元分析。最后，通过结点平衡和协调条件，运用直接迭加原理，将各单元的特性关系组集成整体连续体的特性关系，即建立整体连续体结点载荷和结点位移之间的关系，形成整体有限元方程式，得到一组以结点位移分量为未知量的多元一次联立方程组，再引入约束条件，就可求得连续体力学问题的数值解，此过程称为整体分析23。 3.1.2 ANSYS软件应用随着计算机软硬件的发展，一些规模较大，功能全面的商用有限元软件相继问世，如ANSYS, NASTRAN等等，而且这些软件和其它CAD软件有着友好的数据接口。本文采用ANSYS有限元分析软件，ANSYS是国际流行的大型商用有限元分析软件，功能十分强大，不仅可以用于常规结构工程问题的静态或动态有限元分析，还可以用于流体力学、热力学(温度场)、电磁场藕合等以及多场藕合分析，同时ANSYS软件具有强大的后处理功能，与其它三维CAD软件有良好的数据交换功能。如今已经广泛应用于许多工程领域，如航空、汽车、电子、核科学等。 ANSYS的线性静力分析用于稳态载荷作用下的结构分析，不考虑惯性和阻尼影响。其中稳态载荷包括固定不变的惯性载荷，也可以是随时间变化缓慢近似静力的载荷。静力分析施加的载荷主要有:外部的作用力、稳态的惯性力、位移载荷和温度载荷。 分析步骤典型ANSYS分析问题的步骤有三部分:前处理、求解、后处理。前处理:创建几何模型；设置单元类型，定义单元属性和实常数；设置材料属性；网格划分。求解:定义分析类型；定义边界条件，施加载荷；求解。后处理:观察分析结果，ANSYS有POSTl和POST26两种方式，前者用于模型在某个载荷步的结果分析，后者用于瞬态分析。分析结果可以通过云图、向量图和列表等方式显示。3.2机床主轴有限元分析模型 3.2.1构建几何模型 以往对于中空阶梯轴多采用空间梁单元模拟，随着计算机软硬件技术的发展，运算能力获得极大的提高，使得现在的PC机具有以前工作站的能力。本文以沈阳机床一厂生产的CKS6125型数控车床主轴为试验对象，采用三维实体单元模拟相对梁单元来说，主要原因就是:梁单元模型忽略了主轴截面形状及剪应力的影响，而三维实体单元可以考虑截面形状因素；在约束条件上三维实体单元更加接近实际情况；对于长径比小于10:1的主轴部件，适宜采用三维实体单元24。 图3.1为主轴部件的结构简图，主要有传动皮带轮、同步带轮、主轴、锁紧螺母、主轴箱体、轴承和液压卡盘。图3.1 主轴部件结构简图图3.2为主轴的结构尺寸简图，M1、M2处为弹性支承位置。图3.2 主轴的结构尺寸简图 3.2.2有限元模型建立有限元模型建立的好坏关系到以后分析计算准确性和计算成本。建立有限元模型可以采用有限元分析软件直接建立模型，也可以采用采用其它三维实体造型软件建立部件的三维实体模型，然后通过数据转换调入到有限元分析软件中，进而建立模型。在本文中我们采用前一种方法，利用Ansys建立三维模型。在建立模型过程中，为了便于有限元分析，对模型进行了简化，主要包括螺纹、键槽按实体处理；忽略退刀槽、倒角等局部特征。经过这样的简化可以提高计算效率，并且对计算结果精度影响很小。如图3.3为主轴三维外观图。图3.3 主轴三维外观图 3.2.3单元类型选择和网格划分按照前面模型分析的要求，主轴实体模型采用Solid45单元。Solid45单元为空间8结点等参元空间单元模拟主轴，用于模拟三维实体单元。该单元具有以下特点:具有二阶的位移模式，能适应映射网格，每个结点具有三个空间自由度，该单元特性具有塑性、蠕性、大变形、大的张力。通过几何体扫掠方式划分网格得主轴的有限元模型如图3.3。另外因为该主轴主要采用40Cr钢, 40Cr钢是机制造业使用最广的钢种之一,经调质后具有良好的综合力学性能,它的切削加工性和淬透性尚好,经碳氮共渗和高频淬火后,可作受载荷较大及要求耐磨又不受很大冲击的零件。Solid45单元材料参数如表3-1所示。图3.4 主轴的映射网格化后的模型表3-1 Solid45单元材料参数参数量弹性模量(N/m）泊松比密度（kg/m3）输入量2.06e110.287800由于主轴的轴向刚度很大，阻尼对横向振动特性影响很小，所以在建立有限元模型中只考虑径向刚度影响，利用四个同截面周向均布的弹簧一阻尼单元模拟。以下为机床主轴的动力学模型，利用弹簧一阻尼单元模拟轴承的弹性支承。图3.5为两组弹簧单元模型，其位置分别取前后两个内锥孔圆柱滚子轴承的中截面处如图3.2为主轴的结构尺寸简图中M1、M2处为弹性支承位置，用以考察轴承对主轴横向振动固有特性的影响。图3.5 两组弹簧单元模型Combin14单元可应用于一维、二维和三维空间的纵向的或者扭转的弹性问题求解。作为纵向弹簧一阻尼考虑时，只承受轴向的拉压，不考虑弯曲和扭转；作为扭转弹簧一阻尼考虑时，承受纯扭转，不考虑弯曲和轴向载荷。Combin14单元不具有质量属性，质量可以采用集中质量单元Mass模拟。表3-2为弹簧一阻尼单元输入参数。表3-2 Combinl4单元参数输入 支承位置前支承后支承刚度(N/m)10E810E8阻尼(N*s/m)00在建立主轴轴承支承部分的模型时，在每个圆周截面上建立4个弹簧一阻尼单元沿圆周均布。弹簧单元的长度按照各处轴承的内外圈半径确定。在建立有限元模型中，外圈节点利用Key Points建立，内圈节点采用Hard PT建立，同时要保证弹簧单元的有限元划分数目为1。所有弹簧一阻尼单元外部四个节点限制全部自由度，前端内锥孔轴承支承内部四个节点限制轴向自由度。为了限制主轴X轴方向的移动,在截面M2上与弹簧相连接的4个主轴上的节点加上UX约束。在弹簧的另外一端为完全固定。图3.6为主轴的有限元模型。图3.6 主轴的有限元模型3.3机床主轴振动模态分析 3.3.1 ANSYS动力分析 本章研究主轴的动态特性，即ANSYS动力学分析。一般来说系统的动力学分析主要是确定固有频率和振型，还有就是在一定载荷下的动力回应。按照系统特性可以分为线性分析和非线性分析，按载荷随时间变化关系也可分为稳态动力分析和瞬态动力分析。ANSYS提供了非常强大的动力学分析功能，可以进行各种动力学分析。根据需要，本节进行主轴和主轴部件的模态分析和谐响应分析。 3.3.2模态分析 模态是结构系统固有的、 整体的振动特性 ,每个模态具有特定的固有频率和模态振型。模态分析是研究结构动力学特性的一种方法 ,是结构动态设计及故障诊断的重要手段。通过模态分析可以掌握结构系统在一定频率范围内的主要模态特性 ,预测在外部或内部各种振源作用下的实际振动响应。 模态分析在动力学分析中是极其重要的一环，用于确定结构的固有频率和振型，同时也是进行其它动力学分析诸如瞬态动力学分析、谐响应分析和谱分析的基础。 在ANSYS中提供了七种模态方法，分别是:Block Lanczos法、子空间法、PowerDynamics法、缩减法、不对称法、阻尼法。本文采用Block Lanczos法，该法是求解大型矩阵特征问题的一种最有效的方法，其特点是利用递推关系式产生一个正交的向量矩阵-Lanczos向量矩阵，通过该矩阵的相乘运算便可以获得一个对于结构的离散化模型质量优良的假设模态矩阵，即截断的Lanczos向量矩阵，它所形成的模态空间能有效地逼近结构的离散化模型的低阶模态空间。与子空间迭代法相比，该方法既适用于同样广的求解问题的范围，又有更快的求解速度，对模型单元的质量要求较低，所要内存及硬盘空间也不高；此外，计算精度比减缩法高。 模态分析主要步骤就是:建模、加载求解、扩展模态和结果后处理。在ANSYS中模态分析要注意:只有线性行为有效，即使制定非线性单元，系统也将按照线性处理；模态分析中唯一的载荷就是零位移约束。分析结果包括频率、振型和对应的应力分布。 结构的振动可以表达为各阶振型的线性叠加, 其中低阶振型比高阶振型对结构的振动影响大, 低阶振型对结构的动态特性起决定作用, 故进行结构的振动特性分析时通常取前 510 阶即可。因此,在 Ansys中采用 Block Lanczos 模态提取法计算了主轴的前 5 阶固有频率和振型。 求出主轴的前五阶固有频率为:0.759e-4Hz、874.74Hz、874.74Hz、1019Hz、1019Hz，如图3.7所示。由图3.7可见, 二、三阶固有频率相等, 而且其振型表现为正交, 可视为式(2.22)的一对重根；同理, 四五两阶也如此。可以看出主轴的固有频率足够高, 即主轴的动、静刚度能够满足高刚度的设计要求。根据主轴模态分析得到的固有频率计算主轴的一阶临界转速n=60X874.74=52484r/min 远大于高速车削主轴的工作转速(小于 5 000r/min) , 说明主轴的工作转速能有效地避开共振区, 保证主轴的加工精度。目前的数控机床在向高速度、高刚度的方向发展, 要使机床能安全可靠地工作, 保证所加工零件的高精度, 机床就必须具有良好的动态性能。采用ANSYS对机床主轴进行模态分析验算, 从结果中发现问题, 及时消除隐患, 既可节省投资, 又能缩短产品的开发周期。其振型图如图3.8-3.12所示。图3.7 主轴的前五阶固有振动频率图3.8 一阶振型图图3.9 二阶振型图图3.10 三阶振型图图3.11 四阶振型图图3.12 五阶振型图 从以上的计算过程可以看出, 用ANSYS对机床主轴进行模态分析,计算快捷,得到的振型直观易于分析。从上面图型可以看出，主轴在第二、三、四、五阶时，发生了弯曲变形；第一阶时，主轴发生轴向变形。主轴以弯曲变形为主，同时也发生轴向变形。因此，主轴在工作时，主要发生弯曲变形。根据振动理论。振动过程中的能量主要集中在第一、二阶，弯曲是主轴的主要振动。由于采用近似的线性模型(包括材料特性的线性化和有限元模型的线形化)，因而在阶数越低的情况下对主轴进行的理论分析值与实验测得的值就越接近，而在高阶部分就误差越来越大。3.4本章小结本章介绍了有限元方法和动力学分析的基本求解过程，建立机床主轴有限元模型，合理的确定了载荷、轴承支承刚度和约束条件，选定了单元类型。采用Lanczos法对其进行自由模态分析，得到主轴的固有频率和振型，找出工作时容易发生共振的频率域,为进一步提高精度和转速提供理论依据。结论随着机床向高速化，高精度发展，人们对机床主轴提出了越来越高的要求，首要问题就是通过对机床主轴动态特性进行分析研究，找出提高动态特性的理论依据。对于机床主轴的动态特性分析，如何处理轴承弹性支承成为了一个难点。由于主轴的轴向刚度很大，阻尼对横向振动特性影响很小，所以在建立有限元模型中只考虑径向刚度影响，利用四个同截面周向均布的弹簧阻尼单元模拟。建立主轴有限元模型，采用Lanczos法对机床主轴进行有限元模态分析，得到固有频率和振型，找出工作时容易发生共振的频率域,为进一步提高精度和转速提供理论依据,为进行结构改进提供理论指导。本文对高速高精度数控机床主轴动态特性进行了一定研究和分析，达到了预期的目的，但仍然有待进一步深化和研究的地方。（1）数控机床在加工过程中，切削时会发生颤振，这是机床发生自激振动主要的形式。（2）由于条件限制，对轴承的刚度研究还不充分，特别是动刚度的研究，缺少试验研究，由于轴承刚度的重要性，在以后应该对刚度进一步深入研究。（3）由于没有做物理实验,没有实验数据与理论数据作对照，分析还存在局限性。参考文献1黄雨华、董遇泰.现代机械设计理论和方法M，沈阳:东北大学出版社，2001,200-2212张耀满、王旭东、蔡光起、滕立波.高速机床有限元分析及其动态性能试验J，组合机床与自动化加工技术，2004, 12, 15-173王启义、蔡群礼、胡宝珍.金属切削机床设计M，沈阳:东北工学院出版社，1989,41-464Bollinger.J.Gand Geiger. G Analysis of the Static and Dynamic Behavior of Lathe SpindlesJ，J.Mach. Tool Ues.Res,Vo1.3,1994,193-2095Reddy, V .R. and Sharan. A.M. The finite-Element Modeled design of Lathe Spindle: The static and Dynamic AnalysisJ. ASMI: Journal of Vibrations, Acoustics, Stress and Reliability in design; Vol. 109. 19876Sadeghipour, K. and Cowlcy.A. The Receptance Sensitivity and the Effect of Concentrated Mass Inserts on the Model Balance of Spindle-Bearing System. J.Mach.Tool Des.Vol26; NoA, 1988, 415-4297 Spur G等.主轴一轴承系统的计算:利用结构修正法确定静态和动态性能.国外轴承，1991，(4)8Bert R Jorgensen, Yung C Shin. Dynamics of Spindle-Bearing Systems at High Speeds Including Cutting Load Effects. Transactions of the ASME Journal of Manufacturing Science and Engineering, 1998, 120: 387-3999G D. Hagiu et aLDynamic Characteristics of High Speed Angular Contact Ball Bearings .Wear, 1997,211(1):22-2910付华.主轴部件的动态特性及动力修改D，江苏工学院，199211肖曙红.前支承为三联角接触球轴承的主轴组件的性能分析和简化计算D大连理工大学，199412费仁元、黄旭东、杨家华、宋国荣、殷德义、邢巨恒.主轴部件动态参数确立的实验方法研究J，北京工业大学学报，1999,(0):33-3813史安娜、王浩.主轴部件三维实体模型的有限元分析法阴，机械设计与制造，2000,2: 18-2014刘素华.加工中心用电主轴的研究与设计D，北京理工大学，200015杨曼云、孙希平.TH6350卧式加工一中心主轴系统静、动态特性分析J，计算机辅助设计与制造，2001, (4): 48-50致谢这段时间以来，在导师周里群教授的悉心指导下，这次毕业设计终于较为顺利地完成了。几个月的时间里，从课题的选定、资料的收集、课题的具体设计到论文的审定改进，周里群老师都给与了极大的帮助，倾注了大量的心血；在周里群老师的指导下，学生不仅开拓了思路、扩大了视野、丰富了知识面，还初步掌握了缝隙和处理具体实践问题的科学方法，为学生今后发展打下了坚实的基础。周里群老师有着深厚的理论功底、宽广的知识面和丰富的实践经验，尤其值得学生学习的是周里群老师那种在工作中严谨求实、精益求精的治学态度，对待学生严格要求、一丝不苟的负责精神，都将激励学生在以后工作学习中不断努力，这是学生在这段时间内的最大收获，在此谨向周里群老师致以衷心的感谢和真诚的敬意。同时，由于本人才疏学浅，加之此次设计时间紧任务重，陈健.刘振兴等同学都给予了重要帮助。由于篇幅限制在此不再将他们一一列举，但是我对他们无私慷慨的帮助表示深深的谢意！此外，感谢我的父母，感谢他们这么多年来的养育之恩，是他们的辛勤工作才使我能顺利地完成学业。感谢父母在我受到挫折、打击时候的鼓励和支持！ 齿轮和轴的介绍 摘要:在传统机械和现代机械中齿轮和轴的重要地位是不可动摇的。齿轮和轴主要安装在主轴箱来传递力的方向。通过加工制造它们可以分为许多的型号，分别用于许多的场合。所以我们对齿轮和轴的了解和认识必须是多层次多方位的。关键词:齿轮；轴在直齿圆柱齿轮的受力分析中，是假定各力作用在单一平面的。我们将研究作用力具有三维坐标的齿轮。因此，在斜齿轮的情况下，其齿向是不平行于回转轴线的。而在锥齿轮的情况中各回转轴线互相不平行。像我们要讨论的那样，尚有其他道理需要学习，掌握。斜齿轮用于传递平行轴之间的运动。倾斜角度每个齿轮都一样，但一个必须右旋斜齿，而另一个必须是左旋斜齿。齿的形状是一溅开线螺旋面。如果一张被剪成平行四边形（矩形）的纸张包围在齿轮圆柱体上，纸上印出齿的角刃边就变成斜线。如果我展开这张纸，在血角刃边上的每一个点就发生一渐开线曲线。直齿圆柱齿轮轮齿的初始接触处是跨过整个齿面而伸展开来的线。斜齿轮轮齿的初始接触是一点，当齿进入更多的啮合时，它就变成线。在直齿圆柱齿轮中，接触是平行于回转轴线的。在斜齿轮中，该先是跨过齿面的对角线。它是齿轮逐渐进行啮合并平稳的从一个齿到另一个齿传递运动，那样就使斜齿轮具有高速重载下平稳传递运动的能力。斜齿轮使轴的轴承承受径向和轴向力。当轴向推力变的大了或由于别的原因而产生某些影响时，那就可以使用人字齿轮。双斜齿轮（人字齿轮）是与反向的并排地装在同一轴上的两个斜齿轮等效。他们产生相反的轴向推力作用，这样就消除了轴向推力。当两个或更多个单向齿斜齿轮被在同一轴上时，齿轮的齿向应作选择，以便产生最小的轴向推力。交错轴斜齿轮或螺旋齿轮，他们是轴中心线既不相交也不平行。交错轴斜齿轮的齿彼此之间发生点接触，它随着齿轮的磨合而变成线接触。因此他们只能传递小的载荷和主要用于仪器设备中，而且肯定不能推荐在动力传动中使用。交错轴斜齿轮与斜齿轮之间在被安装后互相捏合之前是没有任何区别的。它们是以同样的方法进行制造。一对相啮合的交错轴斜齿轮通常具有同样的齿向，即左旋主动齿轮跟右旋从动齿轮相啮合。在交错轴斜齿设计中，当该齿的斜角相等时所产生滑移速度最小。然而当该齿的斜角不相等时，如果两个齿轮具有相同齿向的话，大斜角齿轮应用作主动齿轮。蜗轮与交错轴斜齿轮相似。小齿轮即蜗杆具有较小的齿数，通常是一到四齿，由于它们完全缠绕在节圆柱上，因此它们被称为螺纹齿。与其相配的齿轮叫做蜗轮，蜗轮不是真正的斜齿轮。蜗杆和蜗轮通常是用于向垂直相交轴之间的传动提供大的角速度减速比。蜗轮不是斜齿轮，因为其齿顶面做成中凹形状以适配蜗杆曲率，目的是要形成线接触而不是点接触。然而蜗杆蜗轮传动机构中存在齿间有较大滑移速度的缺点，正像交错轴斜齿轮那样。蜗杆蜗轮机构有单包围和双包围机构。单包围机构就是蜗轮包裹着蜗杆的一种机构。当然，如果每个构件各自局部地包围着对方的蜗轮机构就是双包围蜗轮蜗杆机构。着两者之间的重要区别是，在双包围蜗轮组的轮齿间有面接触，而在单包围的蜗轮组的轮齿间有线接触。一个装置中的蜗杆和蜗轮正像交错轴斜齿轮那样具有相同的齿向，但是其斜齿齿角的角度是极不相同的。蜗杆上的齿斜角度通常很大，而蜗轮上的则极小，因此习惯常规定蜗杆的导角，那就是蜗杆齿斜角的余角；也规定了蜗轮上的齿斜角，该两角之和就等于90度的轴线交角。当齿轮要用来传递相交轴之间的运动时，就需要某种形式的锥齿轮。虽然锥齿轮通常制造成能构成90度轴交角，但它们也可产生任何角度的轴交角。轮齿可以铸出，铣制或滚切加工。仅就滚齿而言就可达一级精度。在典型的锥齿轮安装中，其中一个锥齿轮常常装于支承的外侧。这意味着轴的挠曲情况更加明显而使在轮齿接触上具有更大的影响。另外一个难题，发生在难于预示锥齿轮轮齿上的应力，实际上是由于齿轮被加工成锥状造成的。直齿锥齿轮易于设计且制造简单，如果他们安装的精密而确定，在运转中会产生良好效果。然而在直齿圆柱齿轮情况下，在节线速度较高时，他们将发出噪音。在这些情况下，螺旋锥齿轮比直齿轮能产生平稳的多的啮合作用，因此碰到高速运转的场合那是很有用的。当在汽车的各种不同用途中，有一个带偏心轴的类似锥齿轮的机构，那是常常所希望的。这样的齿轮机构叫做准双曲面齿轮机构，因为它们的节面是双曲回转面。这种齿轮之间的轮齿作用是沿着一根直线上产生滚动与滑动相结合的运动并和蜗轮蜗杆的轮齿作用有着更多的共同之处。轴是一种转动或静止的杆件。通常有圆形横截面。在轴上安装像齿轮，皮带轮，飞轮，曲柄，链轮和其他动力传递零件。轴能够承受弯曲，拉伸，压缩或扭转载荷，这些力相结合时，人们期望找到静强度和疲劳强度作为设计的重要依据。因为单根轴可以承受静压力，变应力和交变应力，所有的应力作用都是同时发生的。“轴”这个词包含着多种含义，例如心轴和主轴。心轴也是轴，既可以旋转也可以静止的轴，但不承受扭转载荷。短的转动轴常常被称为主轴。当轴的弯曲或扭转变形必需被限制于很小的范围内时，其尺寸应根据变形来确定，然后进行应力分析。因此，如若轴要做得有足够的刚度以致挠曲不太大，那么合应力符合安全要求那是完全可能的。但决不意味着设计者要保证；它们是安全的，轴几乎总是要进行计算的，知道它们是处在可以接受的允许的极限以内。因之，设计者无论何时，动力传递零件，如齿轮或皮带轮都应该设置在靠近支持轴承附近。这就减低了弯矩，因而减小变形和弯曲应力。虽然来自M.H.G方法在设计轴中难于应用，但它可能用来准确预示实际失效。这样，它是一个检验已经设计好了的轴的或者发现具体轴在运转中发生损坏原因的好方法。进而有着大量的关于设计的问题，其中由于别的考虑例如刚度考虑，尺寸已得到较好的限制。设计者去查找关于圆角尺寸、热处理、表面光洁度和是否要进行喷丸处理等资料，那真正的唯一的需要是实现所要求的寿命和可靠性。由于他们的功能相似，将离合器和制动器一起处理。简化摩擦离合器或制动器的动力学表达式中，各自以角速度w1和w2运动的两个转动惯量I1和I2，在制动器情况下其中之一可能是零，由于接上离合器或制动器而最终要导致同样的速度。因为两个构件开始以不同速度运转而使打滑发生了，并且在作用过程中能量散失，结果导致温升。在分析这些装置的性能时，我们应注意到作用力，传递的扭矩，散失的能量和温升。所传递的扭矩关系到作用力，摩擦系数和离合器或制动器的几何状况。这是一个静力学问题。这个问题将必须对每个几何机构形状分别进行研究。然而温升与能量损失有关，研究温升可能与制动器或离合器的类型无关。因为几何形状的重要性是散热表面。各种各样的离合器和制动器可作如下分类： 1轮缘式内膨胀制冻块；2轮缘式外接触制动块；3条带式；4盘型或轴向式；5圆锥型；6混合式。分析摩擦离合器和制动器的各种形式都应用一般的同样的程序，下面的步骤是必需的：1假定或确定摩擦表面上压力分布；2找出最大压力和任一点处压力之间的关系；3应用静平衡条件去找寻（a）作用力；（b）扭矩；(c)支反力。混合式离合器包括几个类型，例如强制接触离合器、超载释放保护离合器、超越离合器、磁液离合器等等。强制接触离合器由一个变位杆和两个夹爪组成。各种强制接触离合器之间最大的区别与夹爪的设计有关。为了在结合过程中给变换作用予较长时间周期，夹爪可以是棘轮式的，螺旋型或齿型的。有时使用许多齿或夹爪。他们可能在圆周面上加工齿，以便他们以圆柱周向配合来结合或者在配合元件的端面上加工齿来结合。虽然强制离合器不像摩擦接触离合器用的那么广泛，但它们确实有很重要的运用。离合器需要同步操作。有些装置例如线性驱动装置或电机操作螺杆驱动器必须运行到一定的限度然后停顿下来。为着这些用途就需要超载释放保护离合器。这些离合器通常用弹簧加载，以使得在达到预定的力矩时释放。当到达超载点时听到的“喀嚓”声就被认定为是所希望的信号声。超越离合器或连轴器允许机器的被动构件“空转”或“超越”，因为主动驱动件停顿了或者因为另一个动力源使被动构件增加了速度。这种离合器通常使用装在外套筒和内轴件之间的滚子或滚珠。该内轴件，在它的周边加工了数个平面。驱动作用是靠在套筒和平面之间契入的滚子来获得。因此该离合器与具有一定数量齿的棘轮棘爪机构等效。磁液离合器或制动器相对来说是一个新的发展，它们具有两平行的磁极板。这些磁极板之间有磁粉混合物润滑。电磁线圈被装入磁路中的某处。借助激励该线圈，磁液混合物的剪切强度可被精确的控制。这样从充分滑移到完全锁住的任何状态都可以获得。加工基础作为产生形状的一种加工方法，机械加工是所有制造过程中最普遍使用的而且是最重要的方法。机械加工过程是一个产生形状的过程，在这过程中，驱动装置使工件上的一些材料以切屑的形式被去除。尽管在某些场合，工件无承受情况下，使用移动式装备来实现加工，但大多数的机械加工是通过既支承工件又支承刀具的装备来完成。机械加工在知道过程中具备两方面。小批生产低费用。对于铸造、锻造和压力加工，每一个要生产的具体工件形状，即使是一个零件，几乎都要花费高额的加工费用。靠焊接来产生的结构形状，在很大程度上取决于有效的原材料的形式。一般来说，通过利用贵重设备而又无需特种加工条件下，几乎可以以任何种类原材料开始，借助机械加工把原材料加工成任意所需要的结构形状，只要外部尺寸足够大，那都是可能的。因此对于生产一个零件，甚至当零件结构及要生产的批量大小上按原来都适于用铸造、锻造或者压力加工来生产的，但通常宁可选择机械加工。严密的精度和良好的表面光洁度，机械加工的第二方面用途是建立在高精度和可能的表面光洁度基础上。许多零件，如果用别的其他方法来生产属于大批量生产的话，那么在机械加工中则是属于低公差且又能满足要求的小批量生产了。另方面，许多零件靠较粗的生产加工工艺提高其一般表面形状，而仅仅是在需要高精度的且选择过的表面才进行机械加工。例如内螺纹，除了机械加工之外，几乎没有别的加工方法能进行加工。又如已锻工件上的小孔加工，也是被锻后紧接着进行机械加工才完成的。基本的机械加工参数切削中工件与刀具的基本关系是以以下四个要素来充分描述的：刀具的几何形状，切削速度，进给速度，和吃刀深度。切削刀具必须用一种合适的材料来制造，它必须是强固、韧性好、坚硬而且耐磨的。刀具的几何形状以刀尖平面和刀具角为特征对于每一种切削工艺都必须是正确的。切削速度是切削刃通过工件表面的速率，它是以每分钟英寸来表示。为了有效地加工，切削速度高低必须适应特定的工件刀具配合。一般来说，工件材料越硬，速度越低。进给速度是刀具切进工件的速度。若工件或刀具作旋转运动，进给量是以每转转过的英寸数目来度量的。当刀具或工件作往复运动时，进给量是以每一行程走过的英寸数度量的。一般来说，在其他条件相同时，进给量与切削速度成反比。吃刀深度以英寸计是刀具进入工件的距离。它等于旋削中的切屑宽度或者等于线性切削中的切屑的厚度。粗加工比起精加工来，吃刀深度较深。切削参数的改变对切削温度的影响 金属切削操作中，热是在主变形区和副变形区发生的。这结果导致复杂的温度分布遍及刀具、工件和切屑。图中显示了一组典型等温曲线，从中可以看出：像所能预料的那样，当工件材料在主变形区被切削时，沿着整个切屑的宽度上有着很大的温度梯度，而当在副变形区，切屑被切落时，切屑附近的前刀面上就有更高的温度。这导致了前刀面和切屑离切削刃很近的地方切削温度较高。实质上由于在金属切削中所做的全部功能都被转化为热，那就可以预料：被切离金属的单位体积功率消耗曾家的这些因素就将使切削温度升高。这样刀具前角的增加而所有其他参数不变时，将使切离金属的单位体积所耗功率减小，因而切削温度也将降低。当考虑到未变形切屑厚度增加和切削速度，这情形就更是复杂。未变形切屑厚度的增加趋势必导致通过工件的热的总数上产生比例效应，刀具和切屑仍保持着固定的比例，而切削温度变化倾向于降低。然而切削速度的增加，传导到工件上的热的数量减少而这又增加主变形区中的切屑温升。进而副变形区势必更小，这将在该区内产生升温效应。其他切削参数的变化，实质上对于被切离的单位体积消耗上并没有什么影响，因此实际上对切削温度没有什么作用。因为事实已经表明：切削温度即使有小小的变化对刀具磨损率都将有实质意义的影响作用。这表明如何从切削参数来确定切削温度那是很合适的。 为着测定高速钢刀具温度的最直接和最精确的方法是W&T法，这方法也就是可提供高速钢刀具温度分布的详细信息的方法。该项技术是建立在高速钢刀具截面金相显微测试基础上，目的是要建立显微结构变化与热变化规律图线关系式。当要加工广泛的工件材料时，Trent已经论述过测定高速钢刀具的切削温度及温度分布的方法。这项技术由于利用电子显微扫描技术已经进一步发展，目的是要研究将已回过火和各种马氏体结构的高速钢再回火引起的微观显微结构变化情况。这项技术亦用于研究高速钢单点车刀和麻花钻的温度分布。刀具磨损从已经被处理过的无数脆裂和刃口裂纹的刀具中可知，刀具磨损基本上有三种形式：后刀面磨损，前刀面磨损和V型凹口磨损。后刀面磨损既发生在主刀刃上也发生副刀刃上。关于主刀刃，因其担负切除大部金属切屑任务，这就导致增加切削力和提高切削温度，如果听任而不加以检查处理，那可能导致刀具和工件发生振动且使有效切削的条件可能不再存在。关于副刀刃，那是决定着工件的尺寸和表面光洁度的，后刀面磨损可能造成尺寸不合格的产品而且表面光洁度也差。在大多数实际切削条件下，由于主前刀面先于副前刀面磨损，磨损到达足够大时，刀具将实效，结果是制成不合格零件。由于刀具表面上的应力分布不均匀，切屑和前刀面之间滑动接触区应力，在滑动接触区的起始处最大，而在接触区的尾部为零，这样磨蚀性磨损在这个区域发生了。这是因为在切削卡住区附近比刀刃附近发生更严重的磨损，而刀刃附近因切屑与前刀面失去接触而磨损较轻。这结果离切削刃一定距离处的前刀面上形成麻点凹坑，这些通常被认为是前刀面的磨损。通常情况下，这磨损横断面是圆弧形的。在许多情况中和对于实际的切削状况而言，前刀面磨损比起后刀面磨损要轻，因此后刀面磨损更普遍地作为刀具失效的尺度标志。然而因许多作者已经表示过的那样在增加切削速度情况下，前刀面上的温度比后刀面上的温度升得更快，而且又因任何形式的磨损率实质上是受到温度变化的重大影响。因此前刀面的磨损通常在高速切削时发生的。刀具的主后刀面磨损带的尾部是跟未加工过的工件表面相接触，因此后刀面磨损比沿着磨损带末端处更为明显，那是最普通的。这是因为局部效应，这像未加工表面上的已硬化层，这效应是由前面的切削引起的工件硬化造成的。不只是切削，还有像氧化皮，刀刃产生的局部高温也都会引起这种效应。这种局部磨损通常称作为凹坑性磨损，而且偶尔是非常严重的。尽管凹坑的出现对刀具的切削性质无实质意义的影响，但凹坑常常逐渐变深，如果切削在继续进行的话，那么刀具就存在断裂的危机。如果任何进行性形式 的磨损任由继续发展，最终磨损速率明显地增加而刀具将会有摧毁性失效破坏，即刀具将不能再用作切削，造成工件报废，那算是好的，严重的可造成机床破坏。对于各种硬质合金刀具和对于各种类型的磨损，在发生严重失效前，就认为已达到刀具的使用寿命周期的终点。然而对于各种高速钢刀具，其磨损是属于非均匀性磨损，已经发现：当其磨损允许连续甚至到严重失效开始，最有意义的是该刀具可以获得重磨使用，当然，在实际上，切削时间远比使用到失效的时间短。以下几种现象之一均是刀具严重失效开始的特征：最普遍的是切削力突然增加，在工件上出现烧损环纹和噪音严重增加等。自动夹具设计用做装配设备的传统同步夹具把零件移动到夹具中心上，以确保零件从传送机上或从设备盘上取出后置于已定位置上。然而在某些应用场合、强制零件移动到中心线上时，可能引起零件或设备破坏。当零件易损而且小小振动可能导致报废时，或当其位置是由机床主轴或模具来具体时，再或者当公差要求很精密时，那宁可让夹具去适应零件位置，而不是相反。为着这些工作任务，美国俄亥俄州Elyria的Zaytran公司已经开发了一般性功能数据的非同步西类柔顺性夹具。因为夹具作用力和同步化装置是各自独立的，该同步装置可以用精密的滑移装置来替换而不影响夹具作用力。夹具规格范围是从0.2英寸行程，5英镑夹紧力到6英寸行程、400英寸夹紧力。现代生产的特征是批量变得越来越小而产品的各种规格变化最大。因此，生产的最后阶段，装配因生产计划、批量和产品设计的变更而显得特别脆弱。这种情形正迫使许多公司更多地致力于广泛的合理化改革和前面提到过情况那样装配自动化。尽管柔性夹具的发展很快落后与柔性运输处理装置的发展，如落后于工业机器人的发展，但仍然试图指望增加夹具的柔顺性。事实上夹具的重要的装置生产装置的专向投资就加强了使夹具更加柔性化在经济上的支持。根据它们柔顺性，夹具可以分为：专用夹具、组合夹具、标准夹具、高柔性夹具。柔性夹具是以它们对不同工件的高适应性和以少更换低费用为特征的。结构形式可变换的柔性夹具装有可变更结构排列的零件（例如针形颊板，多片式零件和片状颊板），标准工件的非专用夹持或夹紧元件（例如：启动标准夹持夹具和带有可移动元件的夹具配套件），或者装有陶瓷或硬化了的中介物质（如：流动粒子床夹具和热夹具紧夹具）。为了生产，零件要在夹具中被紧固，需要产生夹紧作用，其有几个与夹具柔顺性无关的步骤：根据被加工的即基础的部分和工作特点，确定工件在夹具中的所需的位置，接着必须选择若干稳定平面的组合，这些稳定平面就构成工件被固定在夹具中确定位置上的夹持状轮廓结构，均衡所有各力和力矩，而且保证接近工件工作特点。最后，必须计算、调整、组装可拆装的或标准夹具元件的所需位置，以便使工件牢牢地被夹紧在夹具中。依据这样的程序，夹具的轮廓结构和装合的规划和记录过程可以进行自动化控制。结构造型任务就是要产生若干稳定平面的组合，这样在这些平面上的各夹紧力将使工件和夹具稳定。按惯例，这个任务可用人机对话即几乎完全自动化的方式来完成。一人机对话即以自动化方式确定夹具结构造型的优点是可以有组织有规划进行夹具设计，减少所需的设计人员，缩短研究周期和能更好地配置工作条件。简言之，可成功地达到显著提高夹具生产效率和效益。在充分准备了构造方案和一批材料情况下，在完成首次组装可以成功实现节约时间达60%。因此夹具机构造型过程的目的是产生合适的编程文件。 Journal of Materials Processing Technology 167 (2005) 113 GEAR AND SHAFT INTRODUCTION齿轮和轴的介绍GEAR AND SHAFT INTRODUCTIONAbstract: The important position of the wheel gear and shaft cant falter in traditional machine and modern machines. The wheel gear and shafts mainly install the direction that delivers the dint at the principal axis box. The passing to process to make them can is divided into many model numbers, used for many situations respectively. So we must be the multilayer to the understanding of the wheel gear and shaft in many ways.Key words: Wheel gear; ShaftIn the force analysis of spur gears, the forces are assumed to act in a single plane. We shall study gears in which the forces have three dimensions. The reason for this, in the case of helical gears, is that the teeth are not parallel to the axis of rotation. And in the case of bevel gears, the rotational axes are not parallel to each other. There are also other reasons, as we shall learn. Helical gears are used to transmit motion between parallel shafts. The helix angle is the same on each gear, but one gear must have a right-hand helix and the other a left-hand helix. The shape of the tooth is a volute. If a piece of paper cut in the shape of a parallelogram is wrapped around a cylinder, the angular edge of the paper becomes a helix. If we unwind this paper, each point on the angular edge generates a volute curve. The surface obtained when every point on the edge generates a volute is called helicoids. The initial contact of spur-gear teeth is a line extending all the way across the face of the tooth. The initial contact of helical gear teeth is a point, which changes into a line as the teeth come into more engagement. In spur gears the line of contact is parallel to the axis of the rotation; in helical gears, the line is diagonal across the face of the tooth. It is this gradual of the teeth and the smooth transfer of load from one tooth to another, which give helical gears the ability to transmit heavy loads at high speeds. Helical gears subject the shaft bearings to both radial and thrust loads. When the thrust loads become high or are objectionable for other reasons, it may be desirable to use double helical gears. A double helical gear (herringbone) is equivalent to two helical gears of opposite hand, mounted side by side on the same shaft. They develop opposite thrust reactions and thus cancel out the thrust load. When two or more single helical gears are mounted on the same shaft, the hand of the gears should be selected so as to produce the minimum thrust load.Crossed-helical, or spiral, gears are those in which the shaft centerlines are neither parallel nor intersecting. The teeth of crossed-helical fears have point contact with each other, which changes to line contact as the gears wear in. For this reason they will carry out very small loads and are mainly for instrumental applications, and are definitely not recommended for use in the transmission of power. There is on difference between a crossed helical gear and a helical gear until they are mounted in mesh with each other. They are manufactured in the same way. A pair of meshed crossed helical gears usually have the same hand; that is a right-hand driver goes with a right-hand driven. In the design of crossed-helical gears, the minimum sliding velocity is obtained when the helix angle are equal. However, when the helix angle is not equal, the gear with the larger helix angle should be used as the driver if both gears have the same hand. Worm gears are similar to crossed helical gears. The pinion or worm has a small number of teeth, usually one to four, and since they completely wrap around the pitch cylinder they are called threads. Its mating gear is called a worm gear, which is not a true helical gear. A worm and worm gear are used to provide a high angular-velocity reduction between nonintersecting shafts which are usually at right angle. The worm gear is not a helical gear because its face is made concave to fit the curvature of the worm in order to provide line contact instead of point contact. However, a disadvantage of worm gearing is the high sliding velocities across the teeth, the same as with crossed helical gears.Worm gearing are either single or double enveloping. A single-enveloping gearing is one in which the gear wraps around or partially encloses the worm. A gearing in which each element partially encloses the other is, of course, a double-enveloping worm gearing. The important difference between the two is that area contact exists between the teeth of double-enveloping gears while only line contact between those of single-enveloping gears. The worm and worm gear of a set have the same hand of helix as for crossed helical gears, but the helix angles are usually quite different. The helix angle on the worm is generally quite large, and that on the gear very small. Because of this, it is usual to specify the lead angle on the worm, which is the complement of the worm helix angle, and the helix angle on the gear; the two angles are equal for a 90-deg. Shaft angle. When gears are to be used to transmit motion between intersecting shaft, some of bevel gear is required. They may be produced for almost any shaft angle. The teeth may be cast, milled, or generated. Only the generated teeth may be classed as accurate. In a typical bevel gear mounting, one of the gear is often mounted outboard of the bearing. This means that shaft deflection can be more pronounced and have a greater effect on the contact of teeth. Another difficulty, which occurs in predicting the stress in bevel-gear teeth, is the fact the teeth are tapered. Straight bevel gears are easy to design and simple to manufacture and give a very good results in service if they are mounted accurately and positively. As in the case of gears, however, they become noisy at higher values of the pitch-line velocity. In these cases it is often good design practice to go to the spiral bevel gear, which is the bevel counterpart of the helical gear. As in the case of helical gears, spiral bevel gears give a much smoother tooth action than straight bevel gears, and hence are useful where high speed are encountered. It is frequently desirable, as in the case of automotive differential applications, to have gearing similar to bevel gears but with the shaft offset. Such gears are called hypoid gears because their pitch surfaces are hyperboloids of revolution. The tooth action between such gears is a combination of rolling and sliding along a straight line and has much in common with that of worm gears. A shaft is a rotating or stationary member, usually of circular cross section, having mounted upon it such elements as gears, pulleys, flywheels, cranks, sprockets, and other power-transmission elements. Shaft may be subjected to bending, tension, compression, or torsion loads, acting singly or in combination with one another. When they are combined, one may expect to find both static and fatigue strength to be important design considerations, since a single shaft may be subjected to static stresses, completely reversed, and repeated stresses, all acting at the same time. The word “shaft” covers numerous variations, such as axles and spindles. axle is a shaft, wither stationary or rotating, nor subjected to torsion load. A shirt rotating shaft is often called a spindle. When either the lateral or the torsion deflection of a shaft must be held to close limits, the shaft must be sized on the basis of deflection before analyzing the stresses. The reason for this is that, if the shaft is made stiff enough so that the deflection is not too large, it is probable that the resulting stresses will be safe. But by no means should the designer assume that they are safe; it is almost always necessary to calculate them so that he knows they are within acceptable limits. Whenever possible, the power-transmission elements, such as gears or pullets, should be located close to the supporting bearings, this reduces the bending moment, and hence the deflection and bending stress.Although the von Mi-Hen Goodman method is difficult to use in design of shaft, it probably comes closest to predicting actual failure. Thus it is a good way of checking a shaft that has already been designed or of discovering why a particular shaft has failed in service. Furthermore, there are a considerable number of shaft-design problems in which the dimension are pretty well limited by other considerations, such as rigidity, and it is only necessary for the designer to discover something about the fillet sizes, heat-treatment, and surface finish and whether or not shot peen is necessary in order to achieve the required life and reliability. Because of the similarity of their functions, clutches and brakes are treated together. In a simplified dynamic representation of a friction clutch, or brake, two inertias I1 and I2 traveling at the respective angular velocities W1 and W2, one of which may be zero in the case of brake, are to be brought to the same speed by engaging the clutch or brake. Slippage occurs because the two elements are running at different speeds and energy is dissipated during actuation, resulting in a temperature rise. In analyzing the performance of these devices we shall be interested in the actuating force, the torque transmitted, the energy loss and the temperature rise. The torque transmitted is related to the actuating force, the coefficient of friction, and the geometry of the clutch or brake. This is problem in static, which will have to be studied separately for geometric configuration. However, temperature rise is related to energy loss and can be studied without regard to the type of brake or clutch because the geometry of interest is the heat-dissipating surfaces. The various types of clutches and brakes may be classified as follows: 1. Rim type with internally expanding shoes2. Rim type with externally contracting shoes3. Band type4. Disk or axial type5. Cone type6. Miscellaneous typeThe analysis of all type of friction clutches and brakes use the same general procedure. The following steps are necessary: 1. Assume or determine the distribution of pressure on the frictional surfaces.2. Find a relation between the maximum pressure and the pressure at any point3. Apply the condition of static equilibrium to find (a) the actuating force, (b) the torque, and (c) the support reactions.Miscellaneous clutches include several types, such as the positive-contact clutches, overload-release clutches, overrunning clutches, magnetic fluid clutches, and others. A positive-contact clutch consists of a shift lever and two jaws. The greatest differences between the various types of positive clutches are concerned with the design of the jaws. To provide a longer period of time for shift action during engagement, the jaws may be ratchet-shaped, or gear-tooth-shaped. Sometimes a great many teeth or jaws used, and they may be cut either circumferentially, so that they engage by cylindrical mating, or on the faces of the mating elements. Although positive clutches are not used to the extent of the frictional-contact type, they do have important applications where synchronous operation is required. Devices such as linear drives or motor-operated screw drivers must run to definite limit and then come to a stop. An overload-release type of clutch is required for these applications. These clutches are usually spring-loaded so as to release at a predetermined toque. The clicking sound which is heard when the overload point is reached is considered to be a desirable signal.An overrunning clutch or coupling permits the driven member of a machine to “freewheel” or “overrun” because the driver is stopped or because another source of power increase the speed of the driven. This type of clutch usually uses rollers or balls mounted between an outer sleeve and an inner member having flats machined around the periphery. Driving action is obtained by wedging the rollers between the sleeve and the flats. The clutch is therefore equivalent to a pawl and ratchet with an infinite number of teeth. Magnetic fluid clutch or brake is a relatively new development which has two parallel magnetic plates. Between these plates is a lubricated magnetic powder mixture. An electromagnetic coil is inserted somewhere in the magnetic circuit. By varying the excitation to this coil, the shearing strength of the magnetic fluid mixture may be accurately controlled. Thus any condition from a full slip to a frozen lockup may be obtained.Introduction of MachiningHave a shape as a processing method, all machining process for the production of the most commonly used and most important method. Machining process is a process generated shape, in this process, Drivers device on the work piece material to be in the form of chip removal. Although in some occasions, the work piece under no circumstances, the use of mobile equipment to the processing, however, the majority of the machining is not only supporting the work piece also supporting tools and equipment to complete. Machining know the process has two aspects. For casting, forging and machining pressure, every production of a specific shape of the work piece, even a spare part, almost have to spend the high cost of processing. Welding to rely on the shape of the structure, to a large extent, depend on effective in the form of raw materials. In general, through the use of expensive equipment and without special processing conditions, can be almost any type of raw materials, mechanical processing to convert the raw materials processed into the arbitrary shape of the structure, as long as the external dimensions large enough, it is possible. Because of a production of spare parts, even when the parts and structure of the production batch sizes are suitable for the original casting, Forging or pressure processing to produce, but usually prefer machining. Strict precision and good surface finish, machining the second purpose is the establishment of the high precision and surface finish possible on the basis of. Many parts, if any other means of production belonging to the large-scale production, Well Machining is a low-tolerance and can meet the requirements of small batch production. Besides, many part on the production and processing of coarse process to improve its general shape of the surface. It is only necessary precision and chose only the surface machining. For instance, thread, in addition to mechanical processing almost no other processing method for processing. Another example is the blacksmith pieces keyhole processing, as well as training to be conducted immediately after the mechanical completion of the processing.Primary Cutting ParametersCutting the work piece and tool based on the basic relationship between the following four elements to fully describe: the tool geometry, cutting speed, feed rate, depth and penetration of a cutting tool. Cutting Tools must be of a suitable material to manufacture, it must be strong, tough, hard and wear-resistant. Geometry - to the tip plane and cutter angle characteristics - for each cutting process must be correct. Cutting speed is the cutting it is inches per minute to show. In order to effectively processing, and cutting speed must adapt to the level of specific parts - with knives. Generally, the more hard work piece material, the lower the rate. Progressive Tool to speed is cut into the work piece speed. If the work piece or tool for rotating movement, feed rate per round over the number of inches to the measurement. When the work piece or tool for reciprocating movement and feed rate on each trip through the measurement of inches. Generally, in other conditions, feed rate and cutting speed is inversely proportional to。 Depth of penetration of a cutting tool - to inches dollars - is the tool to the work piece distance. Rotary cutting it to the chip or equal to the width of the linear cutting chip Rough than finishing, deeper penetration of a cutting toolWears of Cutting ToolWe already have been processed and the rattle of the countless cracks edge tool, we learn that tool wear are basically three forms: flank wear, the former flank wear and V-Notch wear. Flank wear occurred in both the main blade occurred vice blade. On the main blade, shoulder removed because most metal chip mandate, which resulted in an increase cutting force and cutting temperature increase, If not allowed to check, That could lead to the work piece and the tool vibration and provide for efficient cutting conditions may no longer exist. Vice-bladed on, it is determined work piece dimensions and surface finish. Flank wear size of the possible failure of the product and surface finish are also inferior. In most actual cutting conditions, as the principal in the former first deputy flank before flank wear, wear arrival enough, Tool will be effecting, the results are made unqualified parts. As Tool stress on the surface uneven, chip and flank before sliding contact zone between stresses, in sliding contact the start of the largest and in contact with the tail of zero, so abrasive wear in the region occurred. This is because the card cutting edge than the nearby settlements near the more serious wear and bladed chip due to the vicinity of the former flank and lost contact lighter. This results from a certain distance from the cutting edge of the surface formed before the knife point Ma pit, which is usually considered before wear. Under normal circumstances, this is wear cross-sectional shape of an arc. In many instances and for the actual cutting conditions, the former flank wear compared to flank wear light, Therefore flank wear more generally as a tool failure of scale signs. But because many authors have said in the cutting speed of the increase, surface temperature than the knife surface temperatures have risen faster. But because any form of wear rate is essentially temperature changes by the significant impact. Therefore, the former usually wear in high-speed cutting happen.The main tool flank wear the tail is not processed with the work piece surface in contact, Therefore flank wear than wear along with the ends more visible, which is the most common. This is because the local effect, which is as rough on the surface has hardened layer, this effect is by cutting in front of the hardening of the work piece. Not just cutting, and as oxidation skin, the blade local high temperature will also cause this effect. This partial wear normally referred to as pit sexual wear, but occasionally it is very serious. Despite the emergence of the pits on the Cutting Tool nature is not meaningful impact, but often pits gradually become darker If cutting continued the case, then there cutter fracture crisis. If any form of sexual allowed to wear, eventually wear rate increase obviously will be a tool to destroy failure destruction, that will no longer tool for cutting, cause the work piece scrapped, it is good, can cause serious damage machine. For various carbide cutting tools and for the various types of wear, in the event of a serious lapse, on the tool that has reached the end of the life cycle. But for various high-speed steel cutting tools and wear belonging to the non-uniformity of wear, has been found : When the wear and even to allow for a serious lapse, the most meaningful is that the tool can re-mill use, of course, In practice, cutting the time to use than the short time lapse. Several phenomena are one tool serious lapse began features: the most common is the sudden increase cutting force, appeared on the work piece burning ring patterns and an increase in noise.The Effect of Changes in Cutting Parameters on Cutting TemperaturesIn metal cutting operations heat is generated in the primary and secondary deformation zones and this result in a complex temperature distribution throughout the tool, work piece and chip. A typical set of isotherms is shown in figure where it can be seen that, as could be expected, there is a very large temperature gradient throughout the width of the chip as the work piece material is sheared in primary deformation and there is a further large temperature in the chip adjacent to the face as the chip is sheared in secondary deformation. This leads to a maximum cutting temperature a short distance up the face from the cutting edge and a small distance into the chip. Since virtually all the work done in metal cutting is converted into heat, it could be expected that factors which increase the power consumed per unit volume of metal removed will increase the cutting temperature. Thus an increase in the rake angle, all other parameters remaining constant, will reduce the power per unit volume of metal removed and cutting temperatures will reduce. When considering increase in deformed chip thickness and cutting speed the situation is more complies. An increase in deformed chip thickness and cutting speed the situation is more complex. An increase in deformed chip thickness tends to be a scale effect where the amounts of heat which pass to the work piece, the tool and chip remain in fixed proportions and the changes in cutting temperature tend to be small. However, reduce the amount of heat which passes into the work piece and this increase the temperature rise of the chip in primary deformation. Further, the secondary deformation zone tends to be smaller and this has the effect of increasing the temperatures in this zone. Other changes in cutting parameters have virtually no effect on the power consumed per unit volume of metal removed and consequently have virtually no effect on the power consumed per unit volume of metal removed and consequently have virtually no effect on the cutting temperatures. Since it has been shown that even small changes in cutting temperature have a significant effect on tool wear rate, it is appropriate to indicate how cutting temperatures can be assessed from cutting data. The most direct and accurate method for measuring temperatures in high-speed-steel cutting tools is that of Wright Trent which also yields detailed information on temperature distributions in high-speed-steel tools which relates micro structural changes to thermal history. Trent has described measurements of cutting temperatures and temperature distributions for high-speed-steel tools when machining a wide range of work piece materials. This technique has been further developed by using scanning electron microscopy to study fine-scale micro structural changes from over tempering of the tempered marten matrix of various high-speed-steels. This technique has also been used to study temperature distributions in both high-speed-steel single point turning tools and twist drills.Automatic Fixture DesignAssembly equipment used in the traditional synchronous fixture put parts of the fixture mobile center, to ensure that components from transmission from the plane or equipment plate placed after removal has been scheduled for position. However, in certain applications, mobile mandatory parts of the center line, it