基于有限元方法对C6140机床主轴的分析 (1)

毕业设计说明书基于有限元方法对C6140机床主轴的分析 学 院： 专 业： 班 级： 指导教师： 学生姓名： 2011510目 录摘 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、汽车工业、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。C6140机床是最常见的一款普通手动车削机床，该机床结构较为简单，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C6140机床都做了适当的改进，使其适用性得到了更大的提高。本设计是基于ANSYS软件来对C6140机床主轴经行分析。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PRO/E来建立C6140机床主轴的三维模型。再将此模型导入ANSYS软件来对其经行分析。关键词 C6140；主轴；三维建模；ANSYS；动静态分析Qq 945846125AbstractANSYS (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. C6140 machine is the most common a regular manual turning machine, the machine structure is simple, convenient operation, high precision, low prices, it has been widely used. At present, many have made the appropriate C6140 machine improvements, it has been greatly enhanced applicability. The design is based on ANSYS software to C6140 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 PRO / E to create three-dimensional model C6140 spindle. Then this model was introduced by the ANSYS software to its line of analysis. Keywords C6140; spindle; three-dimensional modeling; ANSYS; dynamic and static analysis 21目 录摘 要IAbstractIII目 录V前言1第一章 分析方法和研究对象31.1 ANSYS简介31.1.1 ANSYS的主要应用领域31.2 研究对象51.2.1 C6140车床简介71.2.2 C6140车床主轴箱101.2.3 C6140车床主轴13第二章 C6140机床主轴的模型建立152.1 主轴二维制图152.2 主轴三维建模162.2.1 PROE软件简介162.2.2 PROE建立主轴模型方法19第三章 C6140机床主轴的受力特点233.1 主轴组件的布局233.2 主轴组件的受力243.3 C6140机床主轴简化受力模型253.4 机床主轴的计算转速和计算转速下的受力参数263.5 C6140机床的计算转速273.6 计算转速下的受力参数计算28第四章 基于有限元软件对主轴的分析294.1 基本概念294.3 有限元方法分析步骤314.4 有限元模型324.5 网格划分324.6 C6140机床主轴有限元分析的前置处理334.6.1 约束和受力添加334.6.2 机床主轴有限元分析后置处理344.6.3 机床主轴的变形位移图354.6.4 机床主轴的应力图364.7 ANSYS中的模态分析374.8 C6140机床主轴的模态分析384.9 提高C6140机床主轴动态特性的措施42总 结43参考文献45参考文献前 言目前工程中以广泛使用计算机辅助工程软件（CAE），商业化的CAE软件技术种类有很多，其中包括有限元法(FEM,即Finite Element Method),边界元法(BEM,即Boundary Element Method)，有限差法(FDM,即Finite Difference Element Method)等。每一种方法各有其应用的领域，而其中有限元法应用的领域越来越广，现已应用于结构力学、结构动力学、热力学、流体力学、电路学、电磁学等。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、汽车工业、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。ANSYS软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块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，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。正因为该软件方便的操作性和计算结果的准确性，所以得到了很大的使用和推广。特别是在机床的设计中，各大公司普遍才用ANSYS软件来对机床的静态：如应力、应变等，动态：如固有频率、谐响应等，以及热量传递等做分析。在本设计中我通过运用PRO/E来建立C6140机床主轴的三维模型。再通过通用数据传输格式（I-GES）将此模型导入ANSYS软件，合理设置各个分析参数来对其经行整体受力分析。最终得到了各项数据。第一章 分析方法和研究对象1.1 ANSYS简介ANSYS由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD等， 是现代产品设计中的高级CAE工具之一。1.1.1 ANSYS的主要应用领域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、汽车工业、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。1.1.2 ANSYS操作界面图1-1 ANSYS操作界面ANSYS操作界面如上图1-1所示，目前还没有汉化版本，主要使用的是10.0版本。该软件的操作界面比较复杂，特别是建模部分较为繁琐。因此一般都是用三维软件建模，再将模型导入ANSYS经行网格划分和分析计算。这样能大大的提高工作效率。图1-2 ANSYS可视化分析结果ANSYS的优点就在于，可以对分析结果经行可视化分析。如上图1-2。零件的应力采用不同的颜色被表示出来，给设计人员更加直观的影响。1.1.3 ANSYS主要分析步骤静力分析的定义：静力分析计算在固定不变的载荷作用下结构的响应，即由于稳态外载引起的系统或部件的位移、应力、应变。同时，结构静力分析还可以计算那些固有不变的惯性载荷以及那些可以近似为静力作用的随时间变化的载荷对结构的影响。静力分析中的载荷静力分析用于计算有那些不包括惯性和阻尼效应的载荷作用于结构或部件上引起的位移、应力、应变和力。固定不变的载荷和响应是一种假定：即假定载荷和结构的响应随时间的变化非常缓慢。静力分析所施加的载荷包括：(1)外部施加的作用力和压力；(2)稳态的惯性力；(3)位移载荷；(4)温度载荷。我们以静力分析为例来介绍一下ANSYS。主要分析步骤：1、确定结构的分析方案（线、面、体）：桁架、壳、实体等；注意线性单元和高次单元的使用；对称性等简化方法的运用；2、根据分析的类型确定单元类型、实常量等，特别是单元类型的某些选项，对于某些分析十分重要；3、设定材料模型；4、采用各种方法建立模型。在进行布尔运算时特别注意运算对以后分析的影响，尤其是在某些情况下有些网格较难生成，因此对于布尔运算要慎重考虑，为解决该问题应尽量采用几何体素直接建模；5、将材料、实常量等参数赋给模型，在某些情况下可以同时指定方向点；6、按情况划分网格：自由网格或自由网格，设置合适的网格密度等，尤其注意网格设置；7、在生成节点和单元后，根据实际情况定义接触单元、自由度的耦合及约束方程等；8、施加力和约束等；9、求解：注意设置合适的求解选项；10、进入后处理菜单获得计算结果等。ANSYS提供两种后处理方式，即POST1和POST26。前者用于处理整个模型在某一载荷步(时间点)的结果。后者处理模型中特定点在所有载荷步(整个瞬态过程)的结果。结果均可用彩色云图、矢量图和列表来显示；11、评价分析结果。1.2 研究对象本文将对常见的C6140型号机床（如图1-3）的主轴经行综合分析C6140车床型号解释床身上最大回转直径为400mm的卧式车床的型号为：C 61 40 类代号：车床类组、系代号：卧式车床 主参数：400mm图1-3 C6140车床C1640型号的普通机床通用性较好，它适合用于加工各种轴类、套同类和盘类零件上的回转表面。C1640车床有24个转速，其中最高转速为1400转/分。车床结构主轴箱：进给箱：作用是变换进给量，并把运动传给溜板箱溜板箱：带动刀架实现纵向、横向进给，快速移动或车螺纹刀架：装四组刀具，按需要手动转位使用尾座：支持工件或安装钻头等孔加工刀具床身：部件都安装在床身上，以保持部件间相互位置精度。三箱内装有主轴实现主运动，主轴端部有三爪或四爪卡盘以夹持工件1.2.1 C6140车床简介C6140普通车床主要组成部件有：主轴箱、交换齿轮箱、进给箱、溜板箱、刀架、尾架、光杠、丝杠、床身、床脚和冷却装置。主轴箱：又称床头箱，它的主要任务是将主电机传来的旋转运动经过一系列的变速机构使主轴得到所需的正反两种转向的不同转速，同时主轴箱分出部分动力将运动传给进给箱。主轴箱中等主轴是车床的关键零件。主轴在轴承上运转的平稳性直接影响工件的加工质量，一旦主轴的旋转精度降低，则机床的使用价值就会降低。图1-4 C6140的传动原理图进给箱：又称走刀箱，进给箱中装有进给运动的变速机构，调整其变速机构，可得到所需的进给量或螺距，通过光杠或丝杠将运动传至刀架以进行切削。丝杠与光杠：用以联接进给箱与溜板箱，并把进给箱的运动和动力传给溜板箱，使溜板箱获得纵向直线运动。丝杠是专门用来车削各种螺纹而设置的，在进行工件的其他表面车削时，只用光杠，不用丝杠。同学们要结合溜板箱的内容区分光杠与丝杠的区别。溜板箱：是车床进给运动的操纵箱，内装有将光杠和丝杠的旋转运动变成刀架直线运动的机构，通过光杠传动实现刀架的纵向进给运动、横向进给运动和快速移动，通过丝杠带动刀架作纵向直线运动，以便车削螺纹。刀架：有两层滑板(中、小滑板)、床鞍与刀架体共同组成。用于安装车刀并带动车刀作纵向、横向或斜向运动。尾架：安装在床身导轨上，并沿此导轨纵向移动，以调整其工作位置。尾架主要用来安装后顶尖，以支撑较长工件，也可安装钻头、铰刀等进行孔加工。床身：是车床京都要求很高的带有导轨(山形导轨和平导轨)的一个大型基础部件。用于支撑和连接车床的各个部件，并保证各部件在工作时有准确的相对位置。冷却装置：冷却装置主要通过冷却水泵将水箱中的切削液加压后喷射到切削区域，降低切削温度，冲走切屑，润滑加工表面，以提高刀具使用寿命和工件的表面加工质量。C6140车床的主要参数如下：床身上最大的工件回转直径 400mm 刀架上最大工件回转直径 210mm 最大的工件长度 750mm 1000mm 1500mm 2000mm 最大车削长度 650mm 900mm 1400mm 1900mm 主轴中心至床身平导轨距离 205mm 主轴内控直径 48mm 刀架最大行程：纵向650mm 900mm1400mm 1900mm 横向320mm 小滑板140mm 主轴内孔锥度 莫氏6号 主轴转速：正转24级 101400r/min 反转12级 141500r/min 进给量：纵向64级 0.0286.33mm/r 横向64级 f横0.5f纵 刀架快速移动速度 4m/min 车削螺纹范围：公制螺纹44种 T1192mm 英制螺纹20种 a224牙/in 模数螺纹39种 m0.2548mm 径节螺纹37种 DP196牙/in 主电动机 7.5KW 1450r/min 刀架快速移动电动机 0.25KW 2800r/min 机床型号: C6140顶尖距离L: 750,1000,1500,2000中心高H: 205加工最大直径|在床面以上: 400加工最大直径|在横刀架以上: 210加工最大直径|在溜板以上: 刀具支持面至中心线高度M: 26刀架|最大行程|纵向: 刀架|最大行程|横向: 320/260刀架|最大行程|小刀架: 140/130刀架|小刀架回转角: 90尾座|最大横向移动量: 尾座|套筒移动量: 150尾座|莫氏锥度号数: 51.2.2 C6140车床主轴箱主轴箱固定在床身的左上部。主轴箱内装有主轴部件及主轴变速机构。主轴前端可安装卡盘。花盘等夹具，用以装夹工件并带动工件旋转，实现主运动。主轴箱结构：主轴箱设计图由展开图与剖面图组成。C6140车床主轴箱展开图1-4：（1)I轴组件： 皮带轮的卸荷结构；片式摩擦离合器M1的结构、操纵、M1的过载保护作用及其调整；制动器（刹车）及其操纵。（2）主轴组件：主轴、轴承、传动件、密封件。轴承的间隙调整。(3）其他轴。图1-5 C6140车床主轴箱C6140主运动链是等比传动的，公比1.26；主运动有24级等比转速。传动类型为分支传动；低速分支不仅是主运动的变速组又是螺纹进给链的扩大组；低速分支有两个精确传动比：1/4、1/16将螺纹基本导程扩大4、16倍；螺纹链是内联系传动链，主运动是外联系传动链，因而首先保证螺纹进给链的需求 主运动只能是简单运动。不可能为复合运动。CA6140机动车削时，主运动是主轴的旋转运动；车削螺纹时，成形运动是复合运动螺旋线运动，它分解为主轴的旋转（主运动）和刀具的移动（进给运动）。 图1-6 C6140主运动正转路线图1-7 C6140转速分布图1.2.3 C6140车床主轴CA6140车床主轴是一个