（机械制造及其自动化专业论文）曲轴加工复合车床主传动系统设计及优化.pdf

摘要 曲轴是车用及船用发动机的核心部件，它负责将连杆产生上下往复运动变 成发动机输出轴的旋转运动。曲轴受力情况复杂，且连杆颈的轴线相对于主轴 颈的轴线不同心，轴颈磨损和疲劳断裂是曲轴的主要失效形式，这给曲轴的加 工制造提出的很高的要求，尤其是曲轴连杆颈的加工。 目前国内曲轴生产线主要是由普通机床和专用机床组成，生产效率和自动 化程度相对较低。国内曲轴加工的设备主要还是依赖于国外昂贵的进口设备， 这就大大增加了曲轴加工的成本。本课题研究的曲轴复合加工车床是以加工曲 轴主轴颈和连杆颈为主的新型机床。该机床的设计集多项创新于一体，具有广 阔的发展前景，对其进行设计和研究将有效改善曲轴的加工工艺，提高曲轴加 工质量。本文研究的内容有： 1 曲轴复合加工车床主传动系统的设计及建模。内容包括主传动系统的方案 确定、零部件的设计、外购件的选型。 2 对主轴箱和主轴进行静力学和模态分析。在建立三维有限元分析模型的基 础上，对主轴箱和主轴进行静力学分析，直观展示了结构的应力场和位移场， 分析了结构的强度和刚度。对主轴箱和主轴结构进行了模态分析，获得了主轴 箱和主轴的模态参数( 固有频率和振型) ，对两种结构进行了动态性能分析，并 结合静态分析综合评价了结构的力学性能。静态分析与模念分析结果表明，主 轴箱、主轴能够满足强度要求，设计比较保守。静态分析与模态分析为结构优 化设计和动力改进打下了基础。 3 主轴箱的优化设计。本文利用了a n s y s 的参数化优化设计模块从静力分 析角度对主轴箱进行优化设计，获得了主轴箱结构以质量最轻为目标的优化设 计结果，使得主轴箱的质量减轻了约1 6 。对优化后的结构进行改进，主轴箱 能满足加工、装配要求，并保证其加工精度。 关键词：曲轴复合加工，静力分析，模态分析，优化设计 a b s t r a c t c r a n k s h a f ti sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to fa u t o m o t i v ea n dm a r i n ee n g i n e s ，w h i c h i sr e s p o n s i b l ef o rt u r n i n gt h eu p d o w nm o t i o no ft h er o di n t ot h er o t a t i o no ft h e o u t p u ts h a f to ft h ee n g i n e i nt h ep a r to ft h ec r a n k s h a f tm a c h i n i n g ，t h ep r o c e s s i n go f t h ec r a n k s h a f tc o n n e c t i n gr o dn e c ki sad i f f i c u l t ，b e c a u s et h ea x i so ft h ec o n n e c t i n g r o dn e c kh a sae c c e n t r i cr e l a t i v et ot h es p i n d l ea x i so ft h ee r a n k s h a f t c u r r e n t l y , t h ec r a n k s h a f tp r o d u c t i o nl i n ei sm a i n l ym a d eu po fc o m m o nm a c h i n e t o o l sa n ds p e c i a lm a c h i n et o o l s ，w i t hr e l a t i v e l yl o wp r o d u c t i o n e f f i c i e n c ya n d a u t o m a t i o n i nc h i n a , t h ec r a n k s h a f tm a c h i n i n ge q u i p m e n tm a i n l yr e l yo nb e i n g i m p o r t e df r o mf o r e i g nc o u n t r i e s ，w h i c hg r e a t l yi n c r e a s et h ec o s t so ft h ec r a n k s h a f t m a c h i n i n g t h ec r a n k s h a f tm a c h i n i n gc o m p l e xl a t h et h a tu s e df o rp r o c e s s i n gt h e m a i nj o u r n a la n dc o n n e c t i n gr o dn e c ko ft h ec r a n k s h a f ti sr e s e a r c h e di nt h i s p a p e r t h ed e s i g no ft h em a c h i n es e tan u m b e ro fi n n o v a t i o n sa n dh a v ea b r i g h tf u t u r e , i t s d e s i g na n dr e s e a r c hw i l lg r e a t l yi m p r o v et h ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo ft h ec r a n k s h a f t a n di m p r o v ep r o c e s s i n gq u a l i t y t h em a i nc o n t e n t so ft h i sa r t i c l ea r ea sf o l l o w s ： 1 d e s i g n i n ga n dm o d e l i n go ft h ec r a n k s h a f tm a c h i n i n gc o m p l e xl a t h e i n c l u d i n gp r o g r a m st od e t e r m i n et h em a i nt r a n s m i s s i o ns y s t e m ，t h es c h e m ed e s i g no f c o m p o n e n t s ，s e l e c t i o no fo u tp u r c h a s e dp a r t s 2 at h r e e d i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n to ft h e s p i n d l eb o x ，t h ec r a n k s h a f t m a c h i n i n gc o m p l e xl a t h eh a v eb e e ne s t a b l i s h e dw h i c hb a s e do na c c u r a c ym o d e lt o m a d ea l la n a l y s i so fs t a t i cf o r c ea n d d i s p l a yt h es t r e s sa n dd i s p l a c e m e n td i t r i b u t i o ni n t h r e ed i m e n s i o n ；m a d eam o d a la n a l y s i so ft h es p i n d l eb o xa n dt h em a i na x l eo ft h e c r a n k s h a f tm a c h i n i n gc o m p l e xl a t h ea n dg e tt h e i ri n h e r e n tf r e q u e n c i e sa n dm o d e s h a p e s t h e nm a d ead y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n a l y s i sf o rt h e s et w os t r u c t u r e si nt h i s p a p e r t h er e s u l ts h o w st h a t ，t h ec r a n k s h a f tm a c h i n i n gc o m p l e xl a t h ec a nf a i r l yf i ti t s s t r e n g t h ，t h em a t i a r i a lc o n t r i b u t i o no ft h es p i n d l eb o xi su n r e a s o n a b l e ，a n dt h eb o d y o ft h em a c h i n em u s tb ei m p r o v e di nt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s t h er e s u l tc a nb e a p p l i e df o rt h et h e o r e t i c a lb a s e m e n ti nt h es t r u c t u r a lo p t i m a ld e s i g na n dd y n a m i c m o d i f i c a t i o n i i 3 w i t ht h ec o m b i n a t i o no ff e ma n do p t i m u md e s i g n t h eo p t i m u md e s i g nf o r s p i n d l eb o xi su s e df o rr e d u c i n gt h e s 缸1 l c n l r e sw i g h t t h es p i n d l eb o x sq u a l i t y r e d u c e da p p r o x i m a t e l y16 t h e ni m p r o v et h es t r u c t u r ei no r d e rt om a d ei tk e e pt h e g o o dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dg e tt h e r e a s o n a b l er e s u l tw i t ht h e s em i x a lo p t i m u m d e s i g n b a s e d o np a r a m e t e r ss e n s i b i l i t y , sa n a l y s i st h es t r u c t u r em o d i f yf o rt h e m a c h i n e sb o a yi su s e df o ri m p r o v ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s k e yw o r d s ：t h ec r a n k s h a f tm a c h i n i n gc o m p l e xl a t h e ，s t a t i ca n a l y s i s ，m o d a l a n a l y s i s ，o p t i m u md e s i g n 1 1 1 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时 授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论 文，并向社会公众提供信息服务。 研究生( 签名) ： 况冬导师( 签名) 荔椐多伍日期如( o 占o 武汉理工人学硕十学位论文 1 1 课题研究的背景 第1 章绪论 目前，国内汽车市场呈现出健康、高速发展的态势。据中国汽车工业协会 发布的最新统计资料，2 0 0 7 年中国汽车产量为8 8 8 2 4 万辆，同比增长2 2 0 2 ， 比上年净增1 6 0 2 7 万辆；汽车销量8 7 9 1 5 万辆，比上年净增1 5 7 8 0 万辆。汽 车销量是2 0 0 3 年的4 3 9 万辆的2 倍。中国汽车业的良好发展，给国内汽车装备 制造业带来了巨大的机遇和挑战。汽车发动机中的曲轴，是发动机的关键旋转 部件，也是内燃发动机中最难加工的工件之一，其加工质量的高低直接影响发 动机的使用寿命和可靠性。 曲轴的功用是将连杆产生的上下往复运动转变为发动机输出轴的旋转运 动，其在工作过程中不断承受较大的扭转应力和弯曲应力，受力情况及其复杂。 曲轴需要满足较高的刚度、耐磨性、抗拉强度及冲击韧性等。同时，连杆颈的 轴线相对于主轴颈的轴线不同心，轴颈磨损和疲劳断裂是曲轴的主要失效形式， 这给曲轴的加工制造提出的很高的要求，尤其是曲轴连杆颈的加工。 曲轴作为发动机的核心部件，其制造水平直接反映了一个国家装备制造业 的发展状况。我国作为装备制造业大国，要大力发展装备制造业，学习和掌握国 外先进制造技术，加大技术投入力度，不断创新攻关高精尖端制造技术，逐步缩 小与国外先进技术的差距，这对民族工业的发展和国民经济建设都具有非常深 远的意义。目前世界汽车强国对曲轴的加工制造十分重视，不断改进曲轴加工工 艺，设计新型加工设备。国内曲轴制造水平还比较薄弱，很多大型加工设备还 依赖于进口，这些昂贵的设备直接导致了我国曲轴产品成本大幅提高。因此， 对于我们而言，应该意识到形势的紧迫性，加大曲轴加工方法和设备的自主创 新研究，提高曲轴的制造技术水平，创立曲轴加工设备的民族品牌，有利于推 动整个国内曲轴加工的整体水平，增强国际竞争力。 1 2 课题研究的国内外现状 目前，国内外曲轴主轴颈和连杆轴颈的粗加工、半精加工和精加工工艺， 武汉理工大学硕士学位论文 总体上分为以下5 种：传统的曲轴主轴颈及连杆轴颈的多刀车削工艺，这种 加工方法生产效率和自动化程度相对较低，尺寸的一致性差，加工质量不稳定； 数控车削工艺，适合小批量生产；数控内铣铣削工艺，内铣设备价格昂贵， 刀具费用也很高；数控车拉、数控车车拉工艺，切削效率高，加工 质量稳定，但车拉刀具结构复杂，技术含量高，并且长期依赖进口；c n c 高速 外铣工艺，加工精度高，柔性化程度高，但设备昂贵。 航空航天工业、精密仪器、汽车工业等行业的高速发展，使得机械设备日 益向着高精度、高效率、轻量化方向发展。机床的高精度、高效率要求机床具 有良好的静力学和动力学特性。在满足工作性能的情况下，节约材料也是一个 发展方向，优化设计的概念也就由此而生。而有限元法是解决此类问题强有力 的工具。1 9 5 4 年，t u r n e r 、c l o u g h 、m a r t i n 和t o p p 等在结构分析矩阵法的直观 基础上把有限元作为一个经验设想提了出来。1 9 5 6 年英国著名航天教授阿吉里 斯和他的同事运用网格思想完成了结构分析计算。与此同时时，美国克劳夫教 授运用三角形单元对飞机结构进行了分析计算，并在1 9 6 0 年首次提出了“有限 单元法”这一名称。6 0 年代中后期，国内外数学家开始对有限元法进行探讨和 研究，给有限元法奠定了坚实的数学基础。我国著名数学家冯康教授早在1 9 5 6 年就从事有限元法的研究，并发表论文，这比美国数学家还要早。津基威茨和 他的同事在1 8 6 5 年宣布，有限单元法适用于所有能按变分形式进行计算的场问 题，这使有限元得到了一个更为宽泛的解释，因此它的应用也推广得更为广阔。 1 3 课题主要研究内容 利用有限元分析软件，在计算机虚拟环境中对曲轴加工复合车床主轴箱进 行静力学和模态分析，对其结构设计方案进行分析、评价和优化，在对曲轴复 合加工车床进行优化设计的基础上，提出一种复合车床主轴箱的结构设计改进 方案，以改善主轴箱的综合性能。 ( 1 ) 复合车主传动系统部件的设计。 ( 2 ) 根据曲轴加工复合车床的结构特点和工况条件，建立主轴箱体的c a d 模型，并选择合理的单元类型和网格划分方法，对其施加约束条件。利用有限 元分析软件a n s y s 对复合车主轴箱进行模态分析和静力学分析，确定其动静态 特性。 2 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 利用a n s y s 的优化模块对曲轴复合车床主轴箱进行优化设计。 ( 4 ) 在分析曲轴加工复合车床头架设计准则和复合车床头架优化设计的基 础上，提出了一种复合车床主轴箱的结构改进的设计方案。 1 4 小结 本课题研究的曲轴加工复合车床是以加工曲轴主轴颈和连杆颈为主的新型 机床，该机床的设计集多项创新于一体，具有广阔的发展前景，对其进行设计 和研究将有效改善曲轴的加工工艺，提高曲轴加工质量。 利用有限元分析软件，对曲轴复合车床主轴箱体和主轴进行静力学和模态 分析，评价其强度和刚度是否满足机床的设计要求。对曲轴复合车床主轴箱的 结构设计方案进行分析、评价和优化，在复合车床主轴箱满足强度和刚度的条 件下，使其实体体积最小，重量最轻。 武汉理1 人学硕十学位论文 2 1 引言 第2 章复合车床主传动设计 曲轴复合加工车床是以曲轴主轴颈和连卡预加 ：为主的新型机床，该机床的 设汁集多项创新于体，具有广阍的发展前景，时其进行设计和研究将有效改 善曲轴的加工工艺，提高曲轴加工质量。 曲轴复合车床由床身、土轴箱、尾架箱、挂轮机构、川架和工作台等部件组 成。为了保证i | i l 轴加工时的同步性，该车床采用主轴箱和尾架箱双驱动，主轴 箱由电机直接驱动，尾架箱通过花键轴和卡轴箱相连。其i 维图如图2 - 1 所示： 主轴箱是曲轴复台车床重耍的组成部件，主轴箱的质量和精度卣接关系到 泼新型加工殴各能否实现曲轴高速、高教、高精度的加工。士轴箱通过v 带与 主电机连接，内部采用4 级齿轮传动。其三维图如图2 2 所示： 。羹攀镰 逊孽 图2 一l 曲轴复合车床二三维罔图2 2t 轴箱= 维图 2 2 传动部件设计 _ 曲轴加工复合车床的主要技术参数如r ： 运动参数；j j 轴转述n = 3 0 06 0 0 ( r r a i n ) ； 动力参数：驱动电机工功率：n = 1 5 ( k w ) 。电机和主轴箱间采川v 带传动 毛轴箱内采用齿轮传动。 武汉理工人学硕+ 学位论文 2 2 1 传动系统运动设计 电机动力通过y 带传递到主轴箱，主轴箱内传动链比较简单，传动关系如 图2 - 1 ，主轴箱内有四根传动轴，分别汜为轴i 、轴i i 、轴i 、轴，其对应的 齿轮分别记为齿轮i 、齿轮i i 、齿轮、i i i 齿轮。齿轮的基本参数如表2 - 3 所 示： 图2 3 主轴箱传动关系图 表2 - 1 齿轮的基本参数 齿数模数齿顶高系数齿根高系数分度圆直径d齿顶圆直径d a齿根圆直径d f 齿轮i3 8 4 l0 2 5 1 5 21 6 01 4 3 齿轮i i 5 74l0 2 52 2 82 3 62 1 9 齿轮i i i5 7 4 l0 2 5 2 2 8 2 3 6 2 1 9 齿轮 4 04l0 2 51 6 01 6 81 5 1 武汉理t 大学硕十学位论文 2 2 2v 带选择与计算 ( 1 ) 确定计算功率p 。，选择胶带型号： p c = k p 式中，p ：额定功率( k w ) ； k 彳：7 - 作情况系数，此处取为1 2 。 带入数据p = 1 5 ( k w ) ，根据计算功率p 。和小轮转数n ，即可从三角胶带选 型图上选择胶带的型号。此次设计选择的为a 型胶带。 ( 2 ) 选取带轮节圆直径、验算带速： 为了使带的弯曲应力o 。不致过大，应使小轮直径d ，d _ 。，d 。也不要过大， 否则外轮廓尺寸太大。此次设计选择d 。= 1 4 0 r a m 。大轮直径d 。由生么计算按带 疗2 轮直径系列圆整为3 1 5 r a m 。 验算带速，一般应使带速v 在5 2 5 m s 的范围内。 1 ，：黑4 ：1 0 5 所占，符合设计要求。 6 0 木1 0 0 0 1 。 ( 3 ) 确定中心距a 、带长l 、验算包角口： 中心距过大会引起带的颤动，过小则单位时间内带的应力循环次数过多， 疲劳寿命降低；包角a 减小，带的传动能力降低。一般按照下式初定中心距a o 0 7 5 ( d + d 。) a o 2 ( d ，+ d ：) 此次设计定为4 5 0 r a m 。 由几何关系按下式初定带长l o ： l 0 2a o + 0 5 万( d 。+ d ：) + 幽二( 咖) 4 口。 按相关资料选择与l 0 较接近的节线长度l p 按下式计算所需中心距， a a 0 + 生鱼 2 考虑安装、调整和补偿初拉力的需要，中心距a 的变动范围为 6 武汉理工人学硕士学位论文 ( a 一0 0 1 5 0a + o 0 3 乙) 由以上计算得中心距a = 4 3 4 1 4 r a m ，带长为1 6 0 0 m m 。 验算包角：口：1 8 0 。一生丑木5 7 3 。：1 5 6 9 ，1 2 0 。，符合设计要求。 口 ( 4 ) 计算胶带的弯曲次数u ： u ：_ 1 0 0 0 m v s - 4 0 s 一- 式中：m ：带轮的个数； 代入相关的数据计算得：t l = 1 3 1 2 5i s l 4 0 s 。1 符合设计要求。 ( 5 ) 确定三角胶带的根数z ： 根据计算功率p c 和许用功率 p 0 ，可求得胶带根数z ， z 网p c = 历i k 硼a p 带入各参数值计算，圆整结果为5 ，即需用5 根胶带。 2 2 3 同步带的设计计算 计算负载扭矩 负载周期性变化，最大负载扭矩：死= 2 t = 2 x 5 6 9 1 5 x 1 0 3 = 1 1 4 n m 选取带型 根据匕、万。，查机械设计手册，确定选用h 型带 确定带轮节圆直径 传动i = 1 2 4 ，根据结构及设计规范，确定d ，= 1 4 5 5 3 ，d ，= 6 0 6 4 。 带轮齿数z = 4 8 ，z ，= 2 0 带速 l ，= 丽z d , n l = 万- 2 丽9 1 丽0 6 6 0 0 = 9 1 4 s o , m x m ， l ，= 一= 一= l4，它 6 0 l o o o6 0 1 0 0 0 在5 2 5 m s 之间满足要求。 根据结构要求初定中心距a 。= 2 2 0 m m 初定带的节线长度 7 武汉理下大学硕士学位论文 厶p 2 口。+ 三( 吐+ 以) + ( d 1 4 - 口d 。2 ) 2 = 2 x 3 8 5 + 詈( 2 9 1 0 6 + 2 9 1 0 6 ) = 1 6 8 4 4 聊，z 由表1 3 1 5 2 查得节线长度乞= 1 6 7 6 4 m m ，齿数乞= 1 3 2 基准额定功率异= ( t , 1 , - 而m 矿v e 一) v 式中，由表1 3 1 7 5 查得= 2 1 0 0 8 5 n ，m = o 4 4 8 k g m 计算即婴坠等等坐业= 1 8 8 6 k 已知设计中同步带选用3 0 0 l 0 5 0 ，带宽2 5 4 m m 。 该带能提供的扭矩： 礓供= 9 5 5 0 x pq 二 j 9 5 5 0 x 1 8 8 以 = 丝= 1 5 0 n m 11 5 n m ，设计满足要求。 6 0 0 查手册确定的同步带的型号为3 0 0 l 0 5 0 。 2 2 4 同步带轮的设计参数 同步带轮的设计参数如表2 - 2 所示 表2 2 同步带轮设计参数 大同多繁轮 鼹麓瀚 h 黄数 4 8 节瓤1 2 7 嘞 带凌2 5 4 嗍 8 小目步带轮 搦节制 雏 衡毅 2 0 器距1 2 。7 r m 带瓷2 5 。4 m 武汉理工大学硕十学位论文 2 3 主轴设计 2 3 1 主轴组件的基本要求 主轴组件是机床重要的组成部分之一。曲轴加工复合车床主轴组 件由主轴、轴承和安装在主轴上的传动件组成。车床工作时，由主轴 组件夹持着曲轴直接参与表面的成形运动。所以主轴组件的工作性能， 对曲轴的加工质量和机床的生产率，有重要的影响。 旋转精度 要精确的加工曲轴连杆颈，主轴组件必须满足较高的旋转精度。 在装配后，无载荷、低速转动和在工作转速转动的条件下，主轴前端 安装工件的径向跳动不超过0 0 l m m ，轴向串动不超过0 0 2 m m 。 刚度 刚度，反映了机床或组件抵抗外载荷的能力。影响主轴组件刚度 的影响因素较多：如主轴的尺寸和形状，前后支撑的距离和主轴前端 悬伸量，滚动轴承的型号、安装形式和预紧，主轴组件的制造和装配 质量等心1 。 抗振性 主轴组件的振动会影响主轴轴承的寿命和工件的表面质量。如果 发生切削自激振动，将严重影响加工质量，甚至有可能使切削无法进 行下去。 影响主轴抗振性的是主轴组件的静刚度、质量分布和阻尼( 特别 是主轴前轴承的阻尼) 。我们在设计主轴时，要使主轴的固有频率远大 于激振力的频率，使其不容易发生共振。 热变形 主轴组件热变形会使主轴升长，轴承问隙发生变化。温升同时也 会使主轴箱发生热膨胀，使主轴偏离正确的位置。如果前、后轴承的 温升不同，还会使主轴倾斜。同时，曲轴加工复合车床采用的双驱动， 主轴箱和尾架箱的温升不同，还会造成双驱动不同心。所以，在设计 时，要减少主轴组件的发热，控制温升。 耐磨性 9 武汉理工大学硕士学位论文 主轴组件必须具有足够的耐磨性，这样才能长久地保持精度。主 轴的轴承支承处、锥孔、定心轴颈等部位应局部高频淬火。 2 3 2 主轴组件设计及参数选择 曲轴加工复合车床的主轴转速n = 3 0 0 - - - 6 0 0 r m i n ，计算转速n = 5 0 0 r m i n ( 1 ) 主轴轴承的选择 机床主轴所以的轴承，有滚动轴承和滑动轴承两大类。 滚动轴承与滑动轴承相比，具有滚动轴承可以无间隙或有一定过盈量的 条件下工作，有利于提高选择精度和刚度；滚动轴承能在载荷和转速变化幅 度很大的条件下工作；滚动轴承摩擦系数小，有利于减小发热和温升；滚 动轴承的润滑容易。 综上所述：主轴前端采用双列向心短圆柱轴承n n 3 0 2 6 k 与双列圆锥滚子轴 承3 5 2 0 2 6 ，以消除轴向力和径向力。 其中，前者承受径向载荷( n n 3 0 2 6 k ) 后者承受双向轴向载荷和径向载荷( 3 5 2 0 2 6 ) 主轴后端采用双列向心短圆柱轴承n n 3 0 2 0 k ，轴向移动内圈，可把内圈胀大， 消除轴承间隙和预紧。 其中前轴径e = 5 2 m mz = 1 0 2 m m 后轴径及= 3 7 m m ( 2 ) 前悬伸长 前悬伸长对主轴组件的综合刚度影响较大，因此在结构设计时尽量缩短a ， 根据结构定a = 1 6 0 m m ( 3 ) 主轴材料的确定 机床主轴具有较高的精度，淬火应力较小，采用4 0 c r ( 4 ) 主轴的结构设计 前轴径轴承两端分别用圆螺母来轴向定位，采用两个圆螺母为了防松。 齿轮一端采用轴肩定位，一端采用圆螺母定位，周向采用平键。 后轴径采用圆螺母和套筒定位。 同步带轮两端用圆螺母和套筒定位。、 主轴具体尺寸如图2 4 所示： l o 武汉理丁大学硕士学位论文 7 0 0 4 0 旦r 他 聍 i 缓萝 l - 芷 牲 彳一 li 丌 一l 卜l。l n 1 ， 海 恸 钐勿 匙 j 寻鹣 x q k ，亘、 xq 蕞l畏 。夏 甚 l _ ，3呈 叩 。 、立 9 1 oq i譬 芝 龟 乏 龟龟龟 型 &色乏 b乏 弼 事柄u 一 ? x & ?血正蛆丝 宅x ，“7x 72 x 1 丑 6 7d4 6 0 3 丽1 58 7 5 4 9蜀 4 2 2 2 8 任86l 2 2 6 3 28 7 s 2 3 3 主轴组件的计算 图2 - 4 主轴尺寸图 对于一般机床主轴，主要进行刚度验算。通常，如果能满足刚度要求，也 就能够满足强度要求。只有对粗加工、重载荷的主轴，才需要进行强度验算。 这里，对主轴只进行刚度校核。 挠度x - - - - 刍i 翮卅沪0 5 刚2 叼2 ) 了a m l ai e ：2 0 1 0 9 p a j ：三f 尺4 一，4 1 a 、 ， m ：轴承支撑的反力矩p ：切削力q ：传动力 前支承为双列向心短圆柱轴承n n 3 0 2 6 k 与双列圆锥滚子轴承3 5 2 0 2 6 ，后支 承为双列向心短圆柱轴承n n 3 0 2 0 k ，= 3 8 3 5 m m = 0 3 8 3 5 m a 一= 1 3 0 r a m 2 0 1 3 m 当量外径 一 1 0 5 2 7 5 + 1 0 7 x 3 8 + 1 1 0 4 2 + 1 1 0 x 6 2 + 1 2 0 x 4 0 + 1 2 5 x 4 6 + 1 3 0 x 1 0 3 + 2 5 1 3 2 5 j 一- 。_ 。_ 。_ _ 。_ 。_ _ _ _ 。- 。_ 。- - 。_ - 。_ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ 。_ _ _ 。_ _ 。_ 。_ _ 。_ - _ - 。_ 。_ _ - _ _ 。- 。_ _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ - _ - 。_ _ - 。_ 。_ _ 。_ _ _ 。- 。_ _ 。_ - 。_ _ 。_ _ - _ 。_ 。- - 。_ 。_ _ _ _ _ _ - 。_ _ _ _ - 。_ _ _ - _ 。_ 。_ _ _ 。- 。- 。_ 。_ 。_ _ - 。_ _ 。_ _ 。- 。_ _ - _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ - 。_ 。_ _ - 一 3 8 3 5 = 1 1 9 m m = 1 1 9 c m 主轴刚度：由于盔d 。= 4 8 1 1 9 = 0 4 0 3 4 0 5 武汉理t 大学硕士学位论文 故根据式( 1 0 8 ) t = 帮= 警鑫嘉= 6 7 7 1 n 脚 对于机床的刚度要求，取阻尼比f = 0 0 3 0 当v = 5 0 m m i n ，s = 0 i m m r 时，k = 2 4 6 n 比m m ，= 6 8 8 。， 取= 0 0 2 d 一= 0 0 2 x 2 0 0 = 4 m m ：i尝cos6880：576nkb o n 2 夏而i 翮石2 取工件长度l = 0 3 d m x = 0 3 2 0 0 = 1 2 0 m m ，加上卡盘，共长2 0 0 m m ， 则k a = 5 7 6 x嘶蔫3 0 + o 4 1 上 3 3 0 l + 3 8 3 5 1 3 0 l + 3 8 3 5 = 2 6 7 4 n um k = 1 6 6 k 一= 1 6 6 x2 6 7 4 = 4 4 3 8 n l a n 6 7 7 1 n , u m 可以看出，该机床主轴刚度是合格的。 2 3 4 润滑与密封 润滑与密封装置对机床主轴箱具有重要意义，润滑可以降低摩擦， 降低轴承的工作温度和延长使用期限，并与密封装置配合，保护轴承 不受外物的侵入和防止腐蚀。 1 主轴滚动轴承的润滑 i 轴齿轮的工作时的线速度v = 3 5 m s ，主轴箱内采用飞溅式润滑，油面高度 为7 0 m m 左右，甩油环浸油深度为l o m m 左右。润滑油牌号l c r c 一3 2 0 。装配后给 各轴承注入适量润滑油，箱体内定期人工注油。 2 主轴组件的密封 i 轴、i i 轴、润滑采用毛毡式密封，以防止外界杂物进入。而主轴直径 大、旋转精度要求高，若采用毛毡密封则会带来温升，影响机床的加工精度。 故采用了非接触式密封。主轴前端密封采用挡油盘加回油槽，后端采用挡油盘 武汉理丁大学硕士学位论文 密封。如图2 - 5 所示： 2 4 本章小结 图2 5 主轴组件润滑与密封 本章对曲轴复合车床主轴箱进行了总体设计和建模。对主轴箱体、齿轮、主 轴等零部件进行设计及校核。主轴设计时，还应重点考虑到润滑与密封。主轴 箱各零部件强度、刚度满足要求。主轴箱体和主轴受力情况比较复杂，对机床 精度的影响较大，在第三章和第四章对其分别进行静力学计算和模态分析。 武汉理1 = 大学硕士学位论文 第3 章复合车床主传动部件有限元静力分析 3 1 引言 曲轴加工复合车床是一种曲轴加工的新型设备，能够高速、高效、高精度 的加工曲轴，具有非常好的发展前景。主传动部件是这一新型设备的关键部件， 主轴箱和主轴的强度、刚度直接关系到该加工设备能否实现曲轴高速、高效、 高精度的加工。所以，对曲轴加工复合车床进行静力学分析具有重要的理论和 现实意义。 静力学分析是计算零部件在恒定不变的外载作用下的响应。静力学分析既 可以是线性的也可以是非线性的。而非线性静力学分析较为复杂，类型包括： 大变形、塑性、应力刚化、超弹性单元、接触单元和蠕变等。 随着计算机技术和有限元方法的飞速发展和广泛应用，人们寻求和发现了 一种新的求解途径一数值方法。而通过实践证明，有限单元法是最为成功， 最为有效的数值计算方法。在有限元分析过程中，模型的建立、载荷及边界条 件的施加、单元网格划分是关键环节，其处理的结果直接会影响到其计算结果 的准确性和精确度。在计算分析过程中还应考虑到结构材料参数的选择和计算 规模及后处理过程中输出等问题。 本章以a n s y s i o 0 为工具，对曲轴加工复合车床的主轴箱和主轴进行建模 和静力学分析，可以直观的分析其应力云图和应变云图，同时分析模型处理与 计算结果的精度和可靠性，综合衡量主轴箱和主轴的强度和刚度，其计算结果 可为后来的结构改进和优化设计提供理论依据。 3 2 主轴箱有限元静力分析 3 2 1 模型建立 曲轴加工复合车床主轴箱体是一个经铸造，机加工后得到的箱体零件，其 外形尺寸为：长为5 1 4 m m ，宽为4 9 0 r a m ，高为7 2 9 m m 。箱体上分布有凸台，轴承 孔，支撑筋，和注油孔等，形状较为复杂。在p r o e 中建立实体模型的过程中， 综合考虑计算精度的影响以及有限元模型的计算规模，对其中部分特征进行如 1 4 武汉理j 。人学顾十学亿论文 下简化： ( i ) 忽略箱体上明显不会影响箱体强度、刚度的部位的铸造圆角 ( 2 ) 忽略箱体内细小的注油孔 ( 3 ) 忽略箱体各凸台上及箱盖处的螺栓孔 这些简化都不会埘主轴箱体的重量及刚度产生大的影响，完全能保证足够 的计算精度。建成的实体模型如图31 所示 圈3 一】主轴箱体简化模型 3 2 2 单元选取与网格划分 在有限元分析i f l 一般束说，币元的节点数越多，单元的精度也就越高。在 保汪相等计算精度时，如果采用精度较高的单元i ，r 比采用精度较低的单元所需 要的单元数少。或者晚在相同密度的网格划分下，j i ；| 较高精度的单儿可以得到 更高的计算精度。建立有限元模型的儿个关键问题包括：选择合适的单儿类型、 合理的尺寸控制、选择合理的嗍恪划分密度和单元的阶数等。本文采删1 0i l 5 , 叫面体单元s o l i d 9 2 进行网格划分，该叫曲体咀元通过1 0 个节点柬定义，缚个柑 点有3 个沿着x y ，z 方向平移的自由度，它具有二次迭代的特性，埘边界拟合的 能力强适用1 一划分山各种c a d c a m 导入的不胤则模型的刚格。曲轴加工复台 车床主轴箱箱体材料为h t 2 5 0 ，其弹性模量e - 15 5 x1 0 5m p a ，泊松比p = o 2 7 。 划分网格时，首先对受载的轴承孔l | f 1 1 ；) _ 进行局部尺 1 控制，然后在刚格划分工其 武汉理1 人学硕+ 学位论文 对话框中选择7 级精度对模型进行自由网格划分，划分完恻格后通过输入命令 流n u m m r g ，k p 和n u m m r g ，n o d e 来消除重复忸点，以免产生不连续的单 元以及奇异点( s i n g u l a r i t i e s ) ，同时使用压缩节点编号命令“n u m c m p ，a l l ” 柬减少矩阵的主自由度( m a s t e r d e g r e e so f f r e e d o m ) ，以节约计算时间。划分后 分别得到6 7 1 9 1 个节点和3 4 8 9 1 个单元，戈玎分结果较理想，网格划分如图3 2 所 水。 ( 1 ) 箱体结构是一较复杂的空问板块结构，因此在划分网格时，应注意不同 方向的板在相交处的单元边及节点保持重合。箱体的有限元网格模型如图。 ( 2 ) 注意单儿、节点的编号。单元、肯点的编号影响结构总刚度矩阵的带宽 和波前数，因而影响计算时伽和存储容量的大小，因此合理的编号柯利于提高 汁算速度。 ( 3 ) 检查有限元模型，防止有重合节点，裂缝，单元扭l f 等 图32e 轴箱有限元模型 3 2 3 边界条件与载荷施加 主轴箱主要承受切削加工时产，| 三的切削力，切削力最后转移到l ：轴箱体的 各轴承f l 上。加载时直接将力施加在丰轴箱的轴承孔内圆柱面e 。主轴箱在工 武汉理工人学硕士学位论文 作的情况下，各个方向的运动均受限制，故对其底安装面采用全约束处理。 1 切削力的计算 在计算切削力时，根据金属切削原理与刀具中的车削切削力和切削功率 的经验公式妇： f z = p a p 了k 伊z kr f t k r b f z f p = p q f k 一等k 呢k q k 阱， f f x = p a p j - k 毋l i b - k 嘎k 峨k m 。 ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) p m = p s v a p f 1 0 0 0 k e ? k y f kr f k n 8 f ( 4 、) 式中： f 为主切削力，总切削力在主运动方向上的分力，它消耗的功率最多，单位n ； f ，为切深抗力( 径向力) ，总切削力在切削深度方向上的分力，单位n ； f 为进给抗力( 轴向力) ，总切削力在进给方向上的分力，单位n ； 为切削功率，单位为k w 。 机床切削参数见表3 1 表3 1 机床切削参数 高速钢刀具硬质合金钢刀具 口。( m m ) v ( m r a i n ) f ( m m ，)a 口 v f 锻钢 l4 30 1 8l1 4 50 1 8 ( h b l 2 5 2 2 5 )33 40 431 1 5o 5 球墨铸铁 l3 40 1 8 1 1 0 5 0 1 8 ( h b 2 2 5 3 0 5 )42 40 4 4 9 00 4 因为是做粗略计算切削力，上面每个公式中都省掉了一些修正系数，这些 修正系数对计算结果影响不大。取工艺参数见表3 2 ： 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 表3 - 2 工艺参数 a p ( r a m ) v ( m s )f ( m m ，) ) ，( o ) 府 k r ( 。) 球铁 41 50 41 5o 67 5 钢3 1 9 2o 51 50 67 5 通过查表后计算可以得到不同材料曲轴的切削力以及切削功率。计算结果 见表3 3 ： 表3 - 3 计算结果 f ( 忉，e ( 忉c ( ) ( k 矽) 球铁 2 5 4 04 5 68 4 63 8 l 钢 2 8 6 07 8 l1 1 3 45 5 最后确定机床的切削力载荷为：f = 2 9 0 0 n ，f = 7 9 0 n ，f x = l1 5 0 n ，己= 5 5 k w 。 2 轴承孔力的计算 主轴箱内部结构比较复杂，主要传递切削加工时的扭矩。i 轴为输入轴， 通过皮带轮与电机直接相连；i i 轴为传动轴，其传递扭矩到i i i 轴、轴、挂轮 机构和刀架系统；i i i 轴为主轴；轴传递扭矩到尾架箱。各轴之间都通过齿轮 传递运动。主轴箱内齿轮啮合情况和受力简图如图3 3 ： 3 - 3 主轴箱齿轮分布及受力 武汉理下大学硕七学位论文 ( 1 ) 功率的估算 以加工玉柴y c - 4 f 1 1 5 - 2 0 曲轴为例，主轴颈直径d = 7 0 m m ，连杆颈直径 d = 5 6 m m 。车削主轴颈时产生的力矩t 。= f d 2 = 1 0 1 5n m ，车削连杆颈时产生 的力矩t 。= f d 2 ：8 1 2n m 。复合车削加工连杆颈时，刀具与连杆复合运动还 是定轴车削，可认为其产生的力矩与定轴车削相同。 主轴上齿轮周向力产生的驱动力矩t ：= t 。= 1 0 1 5n m ( 以t , = 2 8n m 计算) ， p = nt 2 9 5 5 0 = 5 0 0 9 5 5 0 = 5 3 k w主轴的计算转速5 0 0 n m i n 曲轴复合中心采用双驱动，计算时