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XK2001机床主轴组件建模与工程分析【全套1张CAD图纸和毕业论文】【机械专业原创设计】

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关键词：: xk2001 机床主轴组件建模工程分析全套 cad 图纸毕业论文机械专业原创设计

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摘要

ANSYS有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ANSYS软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PROE来建立三维模型。再将此模型导入ANSYS软件来对其进行分析。

关键词：机床主轴，三维建模，ANSYS，动静态分析

Abstract
ANSYS (finite element) package is a multi-purpose finite element method for computer design program that can be used to solve the structure, fluid, electricity, electromagnetic fields and collision problems. So it can be applied to the following industries: aerospace, automotive, biomedical, bridges, construction, electronics, heavy machinery, micro-electromechanical systems, sports equipment and so on.
Transmission shaft is the most common a regular part, the part structure is simple, convenient operation, high precision, low prices, it has been widely used. At present, many have made the appropriate Transmission shaft improvements, it has been greatly enhanced applicability.
The design is based on ANSYS software to Transmission shaft by the line of spindle. Compared with the traditional calculation, computer-based finite element analysis method can be faster and more accurate results. Set the correct model, dividing the right grid, and set a reasonable solution process, analytical model can accurately access the various parts of the stress and deformation results. On the part of the design and optimization has great reference.
It is because of these advantages, the use of this design in my PROE to create three-dimensional model Transmission shaft. Then this model was introduced by the ANSYS software to its line of analysis.

Key Words: Transmission shaft，three-dimensional modeling ，ANSYS， dynamic and static analysis
目录
摘要 II
Abstract III
目录 IV
第1章绪论 7
1.1 选题的目的和意义 7
1.2选题的研究现状及发展趋势 7
1.3 机床主轴知识 8
1.4 机床主轴的结构特点 8
第2章本课题任务和研究方法 10
2.1 课题任务 10
2.2分析方法 10
2.3 本课题的研究方法 11
2.4 有限元方法介绍 11
2.4.1概述 11
2.4.2 基本思想 11
2.4.3特点 12
2.5 ANSYS软件简介 13
第3章 XK2001机床主轴组件理论设计计算 14
3.1主轴主要参数的计算 14
3.1.1主轴前端直径D1 14
3.1.2主轴内径 d 14
3.1.3主轴前端悬伸量a确定 15
3.1.4 主轴跨距的确定 16
3.2 轴的刚度计算 16
3.3 轴承的选型 17
3.3.1角接触球轴承 18
3.3.2 圆柱滚子轴承 19
3.3.3圆锥滚子轴承 19
3.3.4 深沟球轴承 19
3.4 轴承间隙调整和预紧 20
3.5 主轴组件的刚度和刚度损失的计算 20
3.6 轴承的校核 22
3.7 主轴组件的润滑和密封 23
3.7.1主轴滚动轴承的润滑 23
3.7.2脂润滑 23
3.7.3 油润滑 24
3.7.4 主轴组件的密封 24
第4章确定机床主轴研究对象和PROE建模 25
4.1确定机床主轴研究对象概述 25
4.2 主轴建模 25
4.3 轴承建模 26
4.4 圆螺母建模 27
4.5 齿轮建模 28
4.6 其他附件建模 29
第5章机床主轴的有限元分析 33
5.1有限元分析的基本步骤 33
5.2 有限元分析过程与步骤 33
5.2.1 转换模型格式 33
5.2.2 具体分析操作设置 36
5.2.3 具体分析操作设置 39
5.2.4分析与求解过程 45
5.2.5后处理过程 47
第六章总结和机床主轴的优化设计分析 51
结论 - 54 -
参考文献 - 55 -
致谢 - 56 -

第1章绪论
1.1 选题的目的和意义
随着计算机技术的日益普及和FEA技术的蓬勃发展，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PROE等CAD软件中建立模型,然后导入到ANAYS中进行分析相比，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，ANSYS10.0 为软件平台，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。
1.2选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CAE技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。
ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的融合结构、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(FEA)软件。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，ANSYS文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容。其基于Motif的菜单系统，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，ANSYS能与多数CAD软件结合使用，实现数据的共享和交换，如AutoCAD、I-DEAS、Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor等，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。在相继收购了ICEM、CFX、CENTURY DYNAMICS、AAVID THERMAL、FLUENT等世界著名有限元分析程序制造公司并将其产品和ANSYS整合之后，ANSYS实际上已成为世界上最通用和有效的商业有限元软件。在我国，ANSYS软件经过多年的经营，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ANSYS进行科学研究及教学。
1.3 机床主轴知识
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。①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。②动、静刚度：主要决定于主轴的弯曲刚度、轴承的刚度和阻尼。③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。
1.4 机床主轴的结构特点
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。①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。②动、静刚度：主要决定于主轴的弯曲刚度、轴承的刚度和阻尼。③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GWB公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。

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内容简介：: 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：XK2001机床主轴组件建模与工程分析设计起迄日期:2012年 9月 24日 2012年 12月16日设计(论文)地点:西安科技大学高新学院指导教师: 专业教研室负责人:52摘要ANSYS有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ANSYS软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PROE来建立三维模型。再将此模型导入ANSYS软件来对其进行分析。关键词：机床主轴，三维建模，ANSYS，动静态分析AbstractANSYS (finite element) package is a multi-purpose finite element method for computer design program that can be used to solve the structure, fluid, electricity, electromagnetic fields and collision problems. So it can be applied to the following industries: aerospace, automotive, biomedical, bridges, construction, electronics, heavy machinery, micro-electromechanical systems, sports equipment and so on. Transmission shaft is the most common a regular part, the part structure is simple, convenient operation, high precision, low prices, it has been widely used. At present, many have made the appropriate Transmission shaft improvements, it has been greatly enhanced applicability. The design is based on ANSYS software to Transmission shaft by the line of spindle. Compared with the traditional calculation, computer-based finite element analysis method can be faster and more accurate results. Set the correct model, dividing the right grid, and set a reasonable solution process, analytical model can accurately access the various parts of the stress and deformation results. On the part of the design and optimization has great reference. It is because of these advantages, the use of this design in my PROE to create three-dimensional model Transmission shaft. Then this model was introduced by the ANSYS software to its line of analysis. Key Words: Transmission shaft，three-dimensional modeling ，ANSYS， dynamic and static analysis XK2001机床主轴组件建模与工程分析设计目录摘要IIAbstractIII目录IV第1章绪论71.1 选题的目的和意义71.2选题的研究现状及发展趋势71.3 机床主轴知识81.4 机床主轴的结构特点8第2章本课题任务和研究方法102.1 课题任务102.2分析方法102.3 本课题的研究方法112.4 有限元方法介绍112.4.1概述112.4.2 基本思想112.4.3特点122.5 ANSYS软件简介13第3章 XK2001机床主轴组件理论设计计算143.1主轴主要参数的计算143.1.1主轴前端直径D1143.1.2主轴内径 d143.1.3主轴前端悬伸量a确定153.1.4 主轴跨距的确定163.2 轴的刚度计算163.3 轴承的选型173.3.1角接触球轴承183.3.2 圆柱滚子轴承193.3.3圆锥滚子轴承193.3.4 深沟球轴承193.4 轴承间隙调整和预紧203.5 主轴组件的刚度和刚度损失的计算203.6 轴承的校核223.7 主轴组件的润滑和密封233.7.1主轴滚动轴承的润滑233.7.2脂润滑233.7.3 油润滑243.7.4 主轴组件的密封24第4章确定机床主轴研究对象和PROE建模254.1确定机床主轴研究对象概述254.2 主轴建模254.3 轴承建模264.4 圆螺母建模274.5 齿轮建模284.6 其他附件建模29第5章机床主轴的有限元分析335.1有限元分析的基本步骤335.2 有限元分析过程与步骤335.2.1 转换模型格式335.2.2 具体分析操作设置365.2.3 具体分析操作设置395.2.4分析与求解过程455.2.5后处理过程47第六章总结和机床主轴的优化设计分析51结论- 54 -参考文献- 55 -致谢- 56 -第1章绪论1.1 选题的目的和意义随着计算机技术的日益普及和FEA技术的蓬勃发展，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PROE等CAD软件中建立模型,然后导入到ANAYS中进行分析相比，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，ANSYS10.0 为软件平台，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。1.2选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CAE技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。 ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的融合结构、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(FEA)软件。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，ANSYS文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容。其基于Motif的菜单系统，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，ANSYS能与多数CAD软件结合使用，实现数据的共享和交换，如AutoCAD、I-DEAS、Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor等，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。在相继收购了ICEM、CFX、CENTURY DYNAMICS、AAVID THERMAL、FLUENT等世界著名有限元分析程序制造公司并将其产品和ANSYS整合之后，ANSYS实际上已成为世界上最通用和有效的商业有限元软件。在我国，ANSYS软件经过多年的经营，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ANSYS进行科学研究及教学。1.3 机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。1.4 机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GWB公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。第2章本课题任务和研究方法2.1 课题任务利用有限元软件ANSYS10.0的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。2.2分析方法选择网格类型、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依照图示的此种方法对XK2001机床主轴进行仿真分析。在分析XK2001机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。2.3 本课题的研究方法由于ANSYS自身的建模比较繁琐，采用借助第三方3D设计软件建立模型，然后导入到ANSYS分析，也是目前比较公认的快捷方法。本课题借助PROE设计3D模型。2.4 有限元方法介绍2.4.1概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CloPROEh第一次提出“有限单元法（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。2.4.2 基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, j正是相应的点的基函数。B(i, j)的大小与i, j支集的交集大小有关，如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，这给数值解法带来了极大的方便。2.4.3特点（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。(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。2.5 ANSYS软件简介ANSYS软件是融合结构、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(FEA)软件。它是由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS公司开发的，并能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor、I-DEAS、AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。ANSYS软件是第一个通过ISO9001质量认证的大型分析设计类软件，是美国机械工程师协会ASME、美国核安全局NQA及近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。ANSYS软件主要包括三部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。前处理模块Preprocessor、分析计算模块Solution、后处理模块Postprocessor。前处理模块Preprocessor提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Solution包括结构分析、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Postprocessor可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。第3章 XK2001机床主轴组件理论设计计算3.1主轴主要参数的计算主轴的主要参数是：主轴前端直径D1，主轴内径d。主轴悬伸量a和主轴支撑跨距L。3.1.1主轴前端直径D1 主轴D1（按电机功率）如下表5-1（mm）：功率（kw）D1机床1.42.523.535.557.37.411车床608070907010595130110145铣床及加工中心5090609060957510090105外圆磨床5060557070807590表5-1车床、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D1大于后轴直径D2。对于车、铣床一般，由上表可取D1=110mm。因此可知由式子后端直径圆整后 3.1.2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0.3时空心主轴的刚度几乎与实心主轴相等；等于0.5时空心主轴的刚度为实心主轴的90%；大于0.7时，空心主轴的刚度就急剧下降。一般可取其比值为0.5左右。主轴本身刚度K正比于抗弯断面惯性矩I 由式子可知取孔径的直径极限为此时若孔径再大，刚度急剧下降根据推荐值取，d1=55 mm3.1.3主轴前端悬伸量a确定图3-1主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3.1-45，它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。 E-材料的弹性模量I-轴惯性距-前刚度值 -后刚度值初选a值可参考下表5-2确定车床和主轴类型精密车床、自动车床用滚动轴承支承，适用高精度和普通精度要求0.61.5中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1.252.5 表3-2计算得悬伸量为80mm3.1.4 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（）。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）其中：内径为110mm,查参考（2）表4.3-5 查轴承样本额定动载荷取计算得主轴跨距为300mm3.2 轴的刚度计算如果主轴前后轴承由数段组成，则当量直径（mm）（参考文献2）式中、分别为各段的直径和长度（）；总长，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F如下图（参考文献3）图3-2 主轴组件计算模型则挠度：（参考文献2）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（mm）； l跨距，等于前后支承的距离（mm）； E弹性模量，钢的； I截面惯性距, ；主轴的外径和孔径（mm）。又因为，孔的影响可以忽略由此可得主轴刚度满足要求。3.3 轴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。3.3.1角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7000AC型（旧代号为46100型），属于特轻型；或编号为7190AC型（旧代号为46900型），属于超轻型。=15的编号为7000C型（旧代号为36100型），属于特轻型；或编号为7190C型；或编号为7190C型（旧代号为1036900型），属于超轻型。如图3-1所示（参考文献2）图3-1角接触球轴承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。图3-2角接触球轴承这种轴承为点接触，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DF。 3.3.2 圆柱滚子轴承图3-3为双列圆柱滚子轴承（参考文献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 3-3双列圆柱滚子轴承3.3.3圆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。3.3.4 深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，故选用接触角的轴承。轴向力的方向是从轴头部指向尾部，故前轴承采用三联组配，前两轴承同向都面朝前，共同承担轴向载荷。后一轴承与前两轴承背靠背，以实现预紧。后支承的载荷较大，因此采用双列圆柱滚子轴承。这种轴承的外圈是可以分离的，主轴热膨胀时，可连同轴承内圈的滚子在外圈滚道上轴向移动。后轴承直径比前轴承小，预紧力也小，因此温升不致超过前轴承。3.4 轴承间隙调整和预紧主轴轴承的内部间隙，必须能够调整。多数轴承，还应能够在过盈状态下工作，使滚动体和滚道之间有一定的欲变形，这就是轴承的预紧。轴承预紧后，内部无间隙，滚动体从各个方向支承主轴，有利于提高运动精度。滚动体的直径不可能绝对相等，滚道也不可能绝对正圆，因而预紧前只有部分滚动体和滚道接触。预紧后，滚动体和滚道都有了一定的变形，参加工作的滚动体将更多，各滚动体的受力将更均匀。这都有利于提高轴承的精度、刚度和寿命。如主轴产生振动，则由于各个方向都有滚动体支承，可以提高抗振性。但是，预紧后发热较多，温升较高；且太大的预紧将使轴承的寿命降低，故预紧要适当。本设计为数控车床的主轴组件设计，功率相对较小，所以取中预紧。3.5 主轴组件的刚度和刚度损失的计算最佳跨距的确定：取弹性模量E=N/， D=（90+65）/2=77.5mm；主轴截面惯距：截面面积；A=3459.9 主轴最大输出转矩：故总切削力为：估算时，暂取即取270mm前后支承支反力取=1033000N/mm 则则=225mm当量切削力的计算：P=（a=B）/a3639对于车床 B=0.4=160mm则水平面内：垂直面内：主轴端部的挠度计算：，传动力的作用下，主轴端位移的计算公式见下式：式中：“”号表示位移方向上与力反向，b表示齿轮与前支承的距离，c表示齿轮与后支承的距离，将各值带入，得水平面内：垂直面内：则主轴最大端位移为：已知主轴最大端位移许用值为0.0002L0.09mm则Change Directory，在弹出的对话框中填入指定的工作目录，单击【确定】按钮。如图所示。4、调入我们刚才保存的*.x_t文件。5.2.2 具体分析操作设置5、建立结构分析模式。命令方式：/KEYW（重新指定的分析标题）；GUI方式：Main MenuPreference，在弹出的如图2.14所示的对话框中框中选取某个选项使以后出现的图形界面中过滤掉与选定分析选项无关模块的内容，本书主要讲述结构分析，因此选取Structural(结构)6、选取和定义单元.下面将给出添加单元类型具体的GUI操作路径，对于单元的选项，由于和具体的单元类型有关，在这里将不做具体的介绍。此处以添加PLANE42单元作为例子来介绍添加单元的操作步骤。具体操作步骤如下：依次选择Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete命令，弹出Element Types(单元类型)对话框，如图所示。如果想改变单元的其他输入选项（即上文提及的KEYOPTs）单击【Options】按钮。出现如图所示的element type options（单元类型选项）对话框。确定后单击【OK】按钮，如有需要了解各设置的具体说明，可查看ANSYS帮助文件。返回到如图所示的对话框后单击【Close】按钮，结束单元类型的添加。7、定义材料属性单击MainPreprocessorMaterial PropsMaterial Models弹出定义材料属性对话框如图所示，填入EX： 2.06e5、PRXY：0.3，在Structural下单击Friction Coefficient弹出如图所示对话框，填入Mu：0.3.，至此材料属性定义完成，下一步进入网格划分。8、网格划分实体建模的最终目的划分网格以生成节点和单元，生成节点和单元的网格划分过程分为两个步骤：（1）定义单元属性；（2）定义网格生成控制并生成网格。5.2.3 具体分析操作设置固定约束类型固定约束类型固定约束类型（放大观看）固定约束类型固定约束类型固定约束类型（另一端）固定约束类型（放大）施加力载荷5.2.4分析与求解过程求解结果提示。5.2.5后处理过程位移图解通过图解查看变形受力状况很清晰的反映了啊通过图解发现图示的齿轮受力部分的位移最大通过图解发现图示的齿轮受力部分的应力密度最大通过图解发现图示的齿轮受力部分的应力密度最大第六章总结和机床主轴的优化设计分析本文通过对机床主轴精确建模，进而进行接触应力和弯曲应力分析，得出如下结论：通过应力云图可以看出机床主轴在中心部位处属于应力集中，最容易发生破坏。中心部位应该加工，也说明中间部位材料比较厚实的正确性和合理性质。从而也证明了在ANSYS中进行应力应变分析的正确性，从而可以大大减少试验费用，降低成本，为机床主轴的优化设计和可靠性设计打下坚实的的基础，进而可以优化结构、齿或者优化材料和工艺，最终实现齿轮结构、材料和工艺的创新设计。XK2001机床主轴组件建模与工程分析设计结论对于本次设计的机床主轴来说，其特点是：扭矩变化范围大可以满足不同的工况要求，结构简单，易于生产、使用和维修，价格低廉，而且采用结合套挂挡，可以使变速器挂挡平稳，噪声降低，轮齿不易损坏。在设计中通过较大的变速器传动比变化范围，可以满足在不同的工况下的要求，从而达到其经济性和动力性的要求；变速器挂档时用结合套，虽然增加了成本，但是使变速器操纵舒适度增加，齿轮传动更平稳。本着实用性和经济性的原则，在各部件的设计要求上都采用比较开放的标准，因此，安全系数不高，这一点是本次设计的不理想之处。但是，在以后的工作和学习中，我会继续学习和研究变速器技术，以求其设计更加合理和经济。紧张忙碌的毕业设计已经接近尾声，这次设计是对我大学四年来的学习的一次最综合的检验，也更是一次综合的学习过程。毕业设计不仅使我学习和巩固了专业课知识而且了解了不少相关专业的知识，个人能力得到很大提高。同时也锻炼了与人协作的精神，为以后我踏入社会工作打下了良好的基础。参考文献1濮良贵，纪名刚，机械设计M,高

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