4356基于ANSYS的主轴系统动态特性研究【机械毕业设计全套资料+已通过答辩】
收藏
资源目录
压缩包内文档预览：(预览前20页/共35页)
编号：781659
类型：共享资源
大小：1.15MB
格式：RAR
上传时间：2016-09-18
上传人：圆梦设计Q****9208...
认证信息
个人认证
邱**（实名认证）
湖南
IP属地：湖南
45
积分
- 关 键 词：
-
基于
ansys
主轴
系统
动态
特性
研究
钻研
机械
毕业设计
全套
资料
已经
通过
答辩
- 资源描述：
-
4356基于ANSYS的主轴系统动态特性研究【机械毕业设计全套资料+已通过答辩】,基于,ansys,主轴,系统,动态,特性,研究,钻研,机械,毕业设计,全套,资料,已经,通过,答辩
- 内容简介：
-
基于 主轴系统动态特性研究 一 绪论 高速加工是以大幅度提高切削速度来达到提高生产率，加工精度，加工质量和降低成本的现代化制造技术。在现代制造技术中，高速切削技术已经成为一个不可阻挡的发展潮流。高速机床是实现高速切削的首要条件，而高速电主轴是高速机床的核心部分，因而对高速电主轴的动态特性进行分析，优化结构设计，对提高高速机床性能有十分重要意义。 本文应用 有限元分析法对高速电主轴的动态进行研究分析。通过对结构设计中关键性的技术问题的解决，完成电主轴的结构设计，对提高电主轴单元典型工艺参数下主轴的切削力，主轴单元结构参数和高 速电主轴单元临界转速等参数进行了静态估算。对高速电主轴进行三维动态有限元建模，经过算，获得电主轴模态和谐响应特征，研究了电主轴的固有频率，振型和临界转速，并对高转速下，主轴的前端，后端，轴承所在的四个位置以及主轴转子中部位置所发生的最大动态位移进行了分析计算，验证了主轴结构设计的合理性。 究背景和主要内容 题主要技术指标 参考 阳轴承研究所电主轴，安阳莱必特机械有限公司等电主轴生产厂家产品技术指标，确定主要技术指标如下： 功 率 转速 扭矩特性： 16本转速 9000 主轴最高转速： 15000 动平衡精度： 几何精度：主轴鼻端径跳小于或等于 3 温升：主轴前轴承外周处温升低于 25； 噪声：小于 75 题研究内容 课题的目的在于以高速，大功率的铣削加工中心为研究目标，从提高主轴系统性能入手，对电机的结构设计，动态设计，分析电主轴的结构特点及其对动态特性的影响，对动态特性进行虚拟仿真分析，研究电主轴的单元温度分布场，主轴轴承的变形及其盈利的变化规律，主轴轴端变形规律，建立主轴有限元模型，利用 设计的主轴进行模态和谐响应的有限元分析。 速切削发展的历史背景及理论基础 高速切削 (般是指在高转速和高表面进给下的立铣。例如，以很高的金属去除率对铝合金飞机翼架的凹处进行切削。在过去的 60 年中，高速切削已经广泛应用于金属与非金属材料，包括有特定表面形状要求的零件生产和硬度高于或等于 50 材料切削。对于大部分淬火到约为 32钢零件，当前的切削选项包括：在软 (退火 )工况下材料的粗加工和半精加工切削达到最终硬度 = 63 求的热处理模具的某些零件的电极加工和放电加工 (特别是金切削刀具难于接近的小半径深凹穴 ) 用适合的硬质合金、金属陶瓷、整体硬质合金、混合的陶瓷或多晶立方氮化硼 (具进行的圆柱 /平 /凹穴表面的精加工和超精加工对于许多零件，生产过程牵涉到 这些选项的组合，在模具制造案例中，它还包括费时的精加工。结果导致生产成本高和准备时间长。在模具制造业中典型的是仅生产一个或几个同一产品。生产过程中产品不断改变，由于产品改变，需要进行测量与反向设计。主要标准是模具的尺寸和表面粗糙度方面的质量水平。如果加工后的质量水平低，不能满足要求，就需手工精加工。手工精加工可产生令人满意的表面粗糙度，但是对尺寸和槽形的精度总是产生不好的影响。这种模具制造业的主要难题之一已获解决，但现在仍然需要减少或免除手动抛光，从而提高质量、降低生产成本和缩短准备时间。 高速切削发展的主 要经济和技术因素生存市场上日益激烈的竞争导致不断设置新的标准。对时间和成本效率的要求越来越高。这就迫使新工艺和生产技术不断发展。高速切削提供了希望和解决方案 材料新的更难加工的材料已经强调了发现新的切削解决方案的必要性。航空航天业的心脏是用耐热合金钢和不锈钢制造的。汽车工业使用了不同的双金属材料、小石墨铸铁 (并增加了铝的用量。模具制造业必须面对切削高硬度的淬火钢的问题，从粗加工到精加工。质量对质量的高要求是空前激烈的竞争所导致的结果。高速切削如果使用得正确，可 以在这个领域提供一些解决方案。替代手工精加工是一个例子，这对有复杂 3D 槽形的模具尤为重要。工艺对加工时间更短的要求 后勤 )的要求在大部分情况下可由高速切削解决。模具制造业内的一个典型要求是在一次装卡中完成所有完全淬火小零件的切削。使用高速切削，可以减少和免除费时费钱的 电加工 )加工。设计与发展今日竞争中的主要方法之一是销售新奇的产品。现在小汽车的平均生命周期是 4 年，计算机和配件 1 年半，手机 3 个月 这种快速的改变式样和快速的开发产品的发展的先决条件是高速切削技术。复杂产 品零件多功能表面增加了，例如新设计的涡轮机叶片有新的和优化的特性与功能。早期的设计允许用手工或机器人 (机械手 )来抛光。有新的、复杂的形状的涡轮机叶片必须通过切屑来抛光，最好是用高速切削抛光。有越来越多的薄壁工件必须用切削进行精加工的例子 (医疗设备、电子、国防产品、计算机零件 )。产品设备切削材料、刀柄、机床、控制件，特别是性与设备的巨大发展就可能满足一些要求，这些要求是新的生产方法和技术提出的，是必须满足的。 速切削的原始定义 1931 年，德国一个专利中的 论讲到： “以某一高切削速度 (比常规切削高 5 )进行切削，在切削刃上去除切屑的温度开始降低 由以上得出结论： “似乎有用常规刀具以高切屑速度提高生产率的机会。 ”不幸的是，现代研究已经能全面验证这个理论。对于不同的材料，从某一切削速度开始切削刃上的温度有相对降低。对于钢和铸铁来说，这种温度相对降低不大。但是，但是对铝和其它非金属则是大的。高速切削的定义必须依据其它因素。今日的高速切削的定义是什么？对于高速切削的讨论在一定程度上是混乱的。关于高速切削的定义，存在许多观点、许多谜团和许多方法和许多方法。让我们看一 下这些定义中的几个：在下面的讨论影响高速切削过程的参数。从实用的观点描述高速切削非常重要，这也可为高速切削的应用提供许多实用准则。实际切削速度 因为切削速度取决于主轴转速和刀具的直径，高速切削应定义为 “实际切削速度 ”高于一定水平 例外是，当在铝和其它有色金属中切削和所有材料的精加工和超精加工工序时，在淬硬工具钢中的高速切削特性。 Vf=fznz 浅深度切削非常必要的和典型的高速切削应用是切削深度 向切削深度 )和 向切削深度 )和平均切屑厚度常规 切削相比小得多的切削。因而金属去除率 Q 远比常规的小。例外是，在铝和其它有色金属中切削和所有材料的精加工和超精加工工序。 Q= apf 在淬硬工具钢中的高速切削特性在模具制造业，最大的经济工件尺寸约为 400400150 (长 宽 高 )。最大尺寸与高速切削中相对低的材料去除率有关。当然也与机床的动力特性和大小有关。如前面所述，大部分模具在完全的切削 (单次装卡 )中尺寸相当小。进行的典型工序为粗加工、半精加工、精加工和许多情况下的超精加工。圆角和圆弧的铣削总是要为后面工序的刀具留下 一定的余量。在许多情况下，要使用 3刀具。通常直径范围为 1 80 到 90%情况下，切削材料是整体硬质合金立铣刀或球头立铣刀。常常使用有大圆角的立铣刀。整体硬质合金刀具的切削刃加强了，前角为零或负 (主要用于硬度在 54 上的材料 )。一个典型的和重要的设计特点是为了得到最大弯曲强度而加厚了芯。使用有短切削刃和接触长度的球头立铣刀是有利的。另一个重要的设计特点是掏槽能力，当沿陡壁切削时，这必需的。也可以使用带可转位刀片的尺寸较小的切削刀具。特别是用于粗加工和半精加工。这些刀具应有很大的刀柄稳 定性和弯曲刚度。锥度刀柄提高了刚度，重金属制成的刀柄也提高了刚度。模具的槽形应当是浅的，不能太复杂。一些槽形也适合使用具有高生产率的高速切削。使轮廓切削刀具的路径与顺铣结合得越好，切削效果越好。 一个精加工或半精加工时应遵循的原则是采取浅深度切削。.2 mm(ae/这是为了避免刀柄 /切削刀具产生过大的弯曲，以保持模具的小公差和槽形精度。每个刀具均匀分布的余量也是保证恒定的个高的生产率的条件。当 ae/定时，切削速度和进给率应总是保持在高的水平上。这样，机械变化和切削刃上 的负载会较小，刀具寿命也提高了。 切削参数 或 层的整体硬质合金立铣刀在淬硬钢 (4的典型切削参数： (4粗加工实际切削速度 100 m/向切削速度 )：刀具直径的 6 向切削深度 )：刀具直径的 35 给量每齿 )： 半精加工实际切削速度 150m/向切削速 度 )：刀具直径的 3 向切削深度 )：刀具直径的 20 给量每齿 )：5 精加工和超精加工实际切削速度 200m/向切削速度 )： 向切削深度 )： 齿进给量 )： 当然，这些值与外杆、悬伸、应用的稳定性、刀具直径、材料硬度等有关。这些值仅是典型值和具体的某一应用的值。在对高速切削的讨论中，有时可以看到提到的切削速度值是极高和不现实的。 速切削的实用定义 是简单意义上的高速切削速度。它应当被认为是用特定方法和生产设备进行加工的工艺。高速切削无 需高转速主轴切削。许多高速切削应用是以中等转速主轴并采用大尺寸刀具进行的。 如果在高切削速度和高进给条件下对淬硬钢进行精加工，切削参数可为常规的 4到 6 倍。在这些情况中，切削速度 能是用刀具的名义直径计算的，而不是用切削的有效直径。例如： 90角的立铣刀，直径 6 际切削速度为 250 m/ 13 262 r/头立铣刀，名义直径为 6 向切削深度 .2 有效切削直径为 际切削速度为 250 m/的主轴转速 = 36 942 r/小尺寸零件的粗加工到精加工、精加工及任何尺寸零件的超精加工中， 味着高生产率切削。 零件形状变得越来越复杂，高速切削也就显得越来越重要 。 速加工的现状 高速加工是面向 21世纪的一项高新技术，它以高效率、高精度和高表面质量为基本特征，在航天、汽车、模具制造、光电工程和仪器仪表等行业中获得越来越广泛的应用，并已取得了重大的技术经济效益，是当代先进制造技术的重要组成部分。 一般来说能称为高速加工中心的，其切削速度和进给速度为常规的 10倍左右，也就是说主轴的转速超过 20000r/至能达到 60000r/削速度达到 60m/至 120m/仅如此，为了降低辅助时间要求能在瞬间达到高速和在高速行程中瞬间准停。对于多轴联动的加工中心而言，同时要求在最短的时间内实现自动换刀，并最大限度地缩短切削 转工作台和叉形主轴的运动速度，要高出传统传动方式 56倍。要满足上述要求，就需要主机在具有高动、静刚度的同时，还要配备高性能的功能部件，如高速电主轴、直线电机、转矩电机、高速自动换刀机构和控制系统等。 速加工中心主要功能部件的发展现状和 趋势 对于高速加工中心而言电主轴已成为机床的核心部件，由于在高速加工领域中多采用小直径的铣刀（直径仅 而要满足 150m/上的切削速度就要求提高主轴的转速。目前，主轴转速在 2000040000r/加工中 心已经越来越普及，如瑞士 司的 设备的主轴转速已达到54000r/了适应高转速所产生的温升、振动和位移，主轴轴承采用陶瓷轴承、磁力轴承和空气轴承替代了传统轴承；同时对主轴高转速带来的温升、位移和振动进行测量、修正 和补偿，以确保主轴系统的高速度和高精度。目前德国的司已生产出采用空气轴承的主轴最高转速达 160000r/ 5 轴高精度铣床，德国 在研制 300000r/高速主轴。 对于高速加工中心而言，高的切削速度固然是主导因素，然而要实现真正的高效加工，提高进给速度和降低辅助时间尤为重要。 由于直线电机技术的迅猛发展，其速度高、加速度大、定位精度和跟踪精度高及行程不受限制的优势已充分体现在高速加工中心上，如德国德马吉公司的 快速进给速度已达到 90m/速度达到2g，相应的定位精度和重复定位精度也有大幅度提高，目前直线电机的发展已经提高到 120m/至 200m/速度达到 6g，当然如此高的加速度情况下提高机床的刚度就显得尤为重要。 对于多轴联动的高速加工中心、回转工作台和叉形主轴的摆动和回转是通过转矩电机实现的，它就和直线电机一样采用了直接驱动的方式来实现高转速和高加速度，其能达到的角加速度是传统蜗轮蜗杆传动的 6 倍，加速度可达到3g。 直线电机和转矩电机在高速加工中心上的组 合应用为高速度、高精度和高的表面质量加工模具提供了最佳条件。 作为高速加工中心重要部件之一的自动换刀装置（ 高速化也相应成为高速加工中心的重要技术指标。 快速自动换刀技术是以减少辅助加工时间为主要目的，在尽可能短的时间内完成刀具自动交换的技术方法，如采用机械凸轮机构的自动换刀装置，其速度要大大高于液压和气动换刀装置。日本 司生产的 时为了提高自动换刀时间还采用了如多主轴换刀、双主轴换刀和多机械 手换刀等方式，如奥地利 司生产的多主轴加工中心，实现了切削 国 司采用多机械手的换刀机构实现了切削 动换刀机构的发展有力地推动了高速加工的实现。 要实现高速加工必须配以高性能的 为它是决定机床加工速度、精度和加工件表面质量等性能的重要因素。首先在加工高精度空间曲面时，复杂的刀具轨迹需要庞大的加工程序，因此，程序段处理时间的长短是决定前如海德汉的 程序段的处理时间可达 缩短程序处理时间外，控制系统还具有能以纳米的分辨率进行工作的 便在高速加工的情况下获得高的加工精度和表面质量。另外，其还必须能与不同厂家的 尤其对 5轴联动加工，巨大的数据程序可以通过 大限度的缩短调整时间和编程时间。 机床行业发展趋势 虚拟轴机床由于具有运动惯量小、刚性潜力大、结构简单、造价低和 5轴 5面加工等特点，对加工模具具有很大潜力，当前虚拟机床已进入实际应用阶段。 目前，虚拟轴机床的热门产品是瑞典 立开普特）公司的 “ 三条腿 ” 机床。它配备了大功率电主轴，功率达 48高转速为 30000r/径 ?170进速 度达 65m/速度高达 20m/而切削效率很高。其工作台直径为 备 12把刀，换刀时间 510s，特别适用于模具加工。据悉，该产品已出售 100 多台，其中 6台进入中国。用虚拟轴机床组成的 在瑞典 万多台发动机。 为了进一步提高生产率，复合加工机床应运而生，如日本 床公司的 立式加工中心和车床削中心组合机以及日本 司的200Y 复合机床，都综合了加工中心和车削中心的加工功能，可完成复合 加工。一次装夹可完成车、钻、铣、攻等工序，并可达到很高的切削精度，而且夹具简单，减少了成本。又如德国的 司的 复合中心可进行成型、焊接、攻丝、车螺纹、装配和检测等工序，提供了最大限度的柔性和生产率，进一步缩短了非生产时间。 传统切削过程多采用切削液提高刀具寿命，改善加工表面质量，并利于排出切削热，但是在高速切削过程中切削液的飞溅和形成的雾状液滴将污染操作现场和影响操作者健康，而变质切削液的更换排放又会影响环境，因而发展满足环保要求的干切 削技术是绿色制造的一项重要内容。尤其要求强烈的是汽车工业，因为切削液的价格很高，典型生产线设备的刀具成本约占 50，喷淋占 30，再加上收集和处理废液带来的高昂成本，因此，其设备若换成干式加工，不仅降低了生产成本又满足了环保要求 日本 司预报了未来 20 年技术发展的新概念，它的机床模型特征是：数字化机械和数字化通信的结合，其规格参数将达到如下指标：主轴转速100000r/动加速度 8g；切削速度 660m/s（ 2马赫）；采用主轴停止机换刀；工作台最小 分度精度 1/100000；工作台转速 8000r/6轴控制 5轴同时联动，在这台干切削机床上，可同时具有车削、铣削、激光淬火、内外圆磨削及机内测量。 总之，高速加工中心是一种高技术的集成产品，是机、电、液、气及刀具等各技术领域发展的综合反映，它们既相互促进又相互制约，如加工中心高速技术的发展就要求数控系统提高运算速度，从 32位提升到 64位，分辨率的提高促进了机床定位精度的提高，生产效率的提高就要求提高主轴转速和进给速度，这就促进了电主轴和直线电机的发展，同样近年来刀具技术的发展有力地支持了机床高 速化的发展，使提高切削速度成为可能。而机床高速化也推动了刀具技术的发展，相信在不久的将来像日本 速切削的优点 1、随切削速度的大幅度提高，进给速度也相应提高 510倍。高速切削的材料去除率通常是常规的 3 6 倍，甚至更高。同时机床快速空程速度的大幅度提高，也大大减少了非切削的空行程时间，从而极大地提高了机床的生产率。 2、刀具切削状况好，切削力小，主轴轴承、刀具和工件受力均小。由于切削速度高，吃刀量很小，剪切变形区窄，变形系数 减小，切削力降低大概 30%90%。同时，由于切削力小，让刀也小，提高了加工质量。 3、刀具和工件受热影响小。切削产生的热量大部分被高速流出的切屑所带走，故工件和刀具热变形小，有效地提高了加工精度。 4、工件表面质量好。首先 ，工件粗糙度好，其次切削线速度高，机床激振频率远高于工艺系统的固有频率，因而工艺系统振动很小，十分容易获得好的表面质量。 5、高速切削刀具热硬性好，且切削热量大 部分被高速流动的切屑所带走，可进行高速干切削，不用冷却液，减少了对环境的污染，能实现绿色加工。 6、可完成高硬度材料和硬度高达 硬钢的加工。如采用带有特殊涂层(硬质合金刀具，在高速、大进给和小切削量的条件下，完成高硬度材料和淬硬钢的加工，不仅效率高出电加工 ( 36 倍，而且获得十分高的表面质量 (基本上不用钳工抛光。 7、降低成本。 速电主轴的发展及现状 1： 向高速大功率、低速大转矩方向发展 根据实际使用的需要，多数数控机床需要 同时能够满足低速粗加工时的重切削、高速切削时精加工的要求，因此，机床电主轴应该具备低速大转矩、高速大功率的性能。如意大利 士 国 制造商生产的加工中心用电主轴，低速段输出转矩到 200国 30N m；在高速段大功率方面，一般在 50主轴的最大输出功率为 50士 51)，用于航空器制造和模具加工；更有电主轴功率达到 80 2:进一步向高精度、高可靠性和延长工作寿命方向发展 用户对数控机床的精度和使用可靠性提出了越来越高的要求，作为数控机床核心功能部件之一的电主轴，要求其本身的精度和可靠性随之越来越高。如主轴径向跳动在 内、轴向定位精度 时，由于采用了特殊的精密主轴轴承、先进的润滑方法以及特殊的预负荷施加方式，电主轴的寿命相应得到了延长，其使用可靠性越来越高。 低轴承振动加速度水平，为了监视和限制轴承上的振动，安装了振 动监测模块，以延长电主轴工作寿命。 3： 电主轴内装电机性能和形式多样化 为满足实际应用的需要，电主轴电机的性能得到了改善，如瑞士轴电机输出的恒转矩高转速与恒功率高转速之比 (即恒功率调速范围 )达到了 l： 14。此外，出现了永磁同步电机电主轴，与相同功率的异步电机电主轴相比，同步电机电主轴的外形尺寸小，有利于提高功率密度，实现小尺寸、大功率。 向快速启、停方向发展 为缩短辅助时间，提高效率，要求数控机床电主轴的启、停时间越短越好，因此需要很高的启动和停机加 (减 )速度。目前，国 外机床电主轴的启、停加 速度可达到 速启、停时间在 内。 4： 轴承及其预载荷施加方式、润滑方式多样化 除了常规的钢制滚动轴承外，近年来陶瓷球混合轴承越来越得到广泛的应用，润滑方式有油脂、油雾、油气等，尤其是油气润滑方法 (又称 由于具有适应高速、环保节能的特点，得到越来越广泛的推广和应用；滚动轴承的预负荷施加方式除了刚性预负荷 (又称定位预负荷 )、弹性预负荷 (又称定压预负荷 )之外，又发展了一种智能预负荷方式，即利用液压油缸对轴承施加预负荷，并且可以根据主轴的转速、负载等具体工 况控制预负荷的大小，使轴承的支承性能更加优良。在非接触形式轴承支承的电主轴方面，如磁浮轴承、气浮轴承电主轴 (瑞士 )、液浮轴承电主轴 (美国 )等已经有系列商品供应市场。 5： 刀具接口逐步趋于 机床主轴高速化后，由于离心力作用，传统的 ： 24)刀柄结构已经不能满足使用要求，需要采用 ： 10)等其它符合高速要求的刀柄接口形式。 的传递扭矩能力、高的刀具重复定位精度和联接可靠性，特别适合在高速、 高精度情况下使用。因此， 如瑞士的 国的 大利 )。近年来由 司提出的 具接口也开始在机床行业得到应用，其基本原理与 传递扭矩的能力稍大一些，缺点是主轴轴端内孔加工困难较大，工艺比较复杂。 6： 向多功能、智能化方向发展 在多功能方面，有角向停机精确定位 (准停 )、 刀中空吹气、中空通冷却液、轴端气体密封、低速转矩放大、轴向定位精密补偿、换刀自动动平衡技术等。在智能化方面，主 要表现在各种安全保护和故障监测诊断措施，如换刀联锁保护、轴承温度监控、电机过载和过热保护、松刀时轴承卸荷保护、主轴振动信号监测和故障异常诊断、轴向位置变化自动补偿、砂轮修整过程信号监测和自动控制、刀具磨损和损坏信号监控等，如 主轴安装有诊断模块，维修人员可通过红外接口读取数据，识别过载，统计电主轴工作寿命。 国电主轴技术的现状及与国外的差距 国内从事电主轴研究与生产的企业总体上来说与国外上述公司相比在产品研发以及技术的创新能力上不具有优势，但是具有相对的成本优 势。国外数控机床主轴公司往往只负责主轴的总体设计、技术研发以及零部件装配和测试工作，其余的关键零部件例如：主轴轴承、内装电机、主轴松拉刀机构、动力油缸或气缸、主轴轴承润滑油品等全部实行采购，在产业的分工与合作上具有很强的组织性和互补性，同时由于分工的细致，机床主轴生产商与各附件生产商之间形成了良性的循环，各自针对本专业的关键技术投入人力物力进行科技攻关，由此带动了国外电主轴行业的整体技术进步。 反观国内厂商，各自为战，技术资源分散，除洛阳轴研科技作为原来国家轴承行业的技术归口所拥有一定的综合研发实力外，其他 的企业基本上是在模仿国内外同行的产品进行生产，技术实力较弱，创新能力严重不足。在涉及电主轴轴承润滑、零部件材料选取以及加工工艺、内装式主轴电机、松拉刀接口、主轴轴承润滑油品等方面没有自己独立的知识产权和核心技术，尤其是在电主轴的附件领域如伺服驱动控制器、编码器、动力油缸或气缸、智能传感器等方面表现的更为突出，基本上是国外产品包打天下。这也 是直到目前为止制约国产高档数控机床发展的关键原因所在。 速主轴的动静态特性的研究现状 主轴单元的动静态特性包括主轴的变形，共振频率，临界转速和动态响应等。其对主 轴的速度和精度性能有很大的影响，有关研究早在上世纪 20年代就开始了，大致可分为三个阶段。 上世纪六十年代以前，基本上采用经验类比法进行主轴结构和动力学特性的设计，六十年代初，开始出现最佳跨距的计算，使主轴的结构设计有了很大的改进，由于计算方法和计算手段的限制，对对动力学模型进行简化后，仍只能用图解法或解析法分析，不仅方法繁琐，使用不方便，而且计算精度低。 近二十年来，由于计算机和计算技术的发展，主轴单元动力特性研究进入了新的研究阶段。各种计算机分析方法相继问世，如古典结构分析法，传递矩阵法，有限差分法 ，有限单元法和结构修正法等。 在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与有限元计算方法相结合，对传统主轴部件进行动力特性分析，并对主轴进行动力修改。 1994 年，大连理工大学的肖署红用有限元分析法与迭代的分析方法，编制了主轴的静动态分析软件， 1999 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，并在此基础上对其进行动静态分析，同年洛阳工学院的陈全兵等在主轴的有限元法和超高速轴承的滚道理论的基础上，给出了超高速轴 2000 年，北京理工大学的刘素华利用有限元分析软件 2001 年，浙江大学的蒋兴奇考虑轴承的载荷和变形的非线性特性及摩擦热的情况下，建立了主轴变形和固有频率的计算方法，同年，杨曼云等利用 件对 式加工中心的主轴进行了动静态特性分析。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 ，无锡机床股份有限公司的蔡英等基于 递矩阵法，对 综合以上文献可以发现，其中的有限差分法只能把主轴近似成 ，有限元法可以分析 ， ，但必须把轴承载荷和变形关系进行线性化，同时对轴承载荷进行积分以求广义的载荷，而传递矩阵法虽然具有程序简单，所需内存小等优点，但其在计算高阶模态时，计算精度将急剧下降，有时甚至会导致有效数据的丧失。而且，除了利用特定软件进行分析，较易完成外，其他各种方法都需要进行复杂的理论计算。总之，上述方法各有优缺点，随着设计要求的提高，只有全面的考虑各种因素对主轴单元动力学特性的影响，尤其是过去被简化被忽略的因素的影响，才能得到更加接近实际的分析计算结果。 2004年，广东工业大学的胡爱玲利用 高速电主轴动静态特性的研究又前进了一步。 本课题采用 限元分析来分析高速电主轴的动态特性。 件是一种应用广泛的工程有限元分析软件，主要利用有限元法所探讨的工程系统转化成一个有限元系统，该有限系统有节点和元素组合而成，以取代原有的工程系统，有限元系统可以转化为一个数学模式，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。完整的游侠暖模型除了节点，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。这个软件 比上述的 有更加完善的前后处理功能，因此能更有效地建立好分析模型。 二 高速电主轴的结构设计 速电主轴轴上零件无键联结 轴 与 轴上零件过盈量的计算 计算原则：过盈配合应该保证过盈联结的结合强度和结合件的零件强度。结合强度是指外负荷的作用下，结合件之间没有相对移动，能可靠的传递给定的负荷，连接件的零件强度，是指连接件在结合压力的作用下，产生的复合应力不超过设计给定的极限值，能够安全可靠的工作。 计算方法：过盈量的计算即在保证结合强度的条件下，计算出承受外载荷的最小过盈量 和保证连接件的强度条件下所容许的最大过盈量 ，并以此来选定恰当的配合。在这种情况下，应认为所选用的过盈配合条件下，零件不发生塑性变形，甚至在最大的应力区存在一定塑性变形的条件 下，所设计的过盈配合仍能安全可靠的工作。 假设在静态下即转速为 0时，过盈连接面传递扭矩为 时，有弹性力学原理，过盈连接传递负载所需要的最小有效过盈量 可按下列公式计算： = . / 2 = 2中， ， 过盈材料和主轴材料弹性模量； 包容件与被包容件的直径比有关的系数。 结合加工工艺，装配要求，工作温度等因素并引入安全系数 等对修正，则在静态条件下，求的传递力矩或者承受轴向力所需要的最小过盈量，按下列公式进行计算： = + + + 2中， 考虑表面粗糙度影响的修正量， 考虑连接件的表面温度与装配温度之差以及主轴与过盈套材料线膨胀系数之差的其修正量， 重复拆卸引起的过盈量的减 小。 以上修正量的计算或确定可从机械设计手册中查得。 主轴高速旋转时过盈套受离心力，该离心力可引起过樱桃的内控的扩张，导致过盈量减小。当主轴材料和过盈套材料的泊松比，弹性模量和密度相差不大时， 离心力引起的过盈量减少量 可由下式计算 = +( ) 2中，是轴的转速；是主轴材料和过盈套材料的密度； v 是主轴材料和过盈套材料的泊松比； E 是主轴材料和过盈套材料的弹性模量。 有以上可知，当考虑转速影响时传递力矩或者承受轴向力所需要的最小过盈量按下式计算 =K（ ） 2中， 荷波动的影响和可靠性安全性而引入的安全系数。 有第四强度理论，过盈套和轴不产生弹性变形所容许的最大结合压力 和主轴结合面不产生塑性变形的最大结合压力 分别为 = 2 2中， ， 分别为过盈套材料的屈服强度。 在弹性范围内，过盈连接结合面不发生塑性变形所容许的最大有效过盈量 按下式计算 = d( ) 2 以 上 各 式 ， 当 转 速 为，过盈连接面传递扭矩为 ，过盈套与轴之间过盈量 应满足以下要求 2速电主轴单元结构参数估算 型工艺参数下主轴所受切削力的计算 铣刀的平均圆周切削力 已知条件 电主轴对工件进行精加工，主轴转速大于 10000r/铣工件： 45钢 刀具：高速钢立铣刀，铣刀直径 ,铣刀齿数 Z=4， 切削用量：背吃刀量 =10 侧吃刀量 =2 每齿进给量 =z 计算公式 9 8 2中， f 为系数， b ， e ， u 为指数 查机械设计手册： f =b 0 86， e 0 86， u 0 72 =用于主轴的径向力 铣削时作用于主轴的径向力 可以分解为横向分力 和纵向分力 根据各铣削分力的经验比值 = =350N =150N 则有： = =380N 承刚度的计算 前后支撑均选用 1910技术参数如下， 精度： ，组合方式背靠背，轻预紧，内径： 75径： 100度： 13动体数目： 22, 接触角？= ，润滑方式：脂润滑。 轴承装配后的预紧力 Gm=f*f1*f2*a 2查机床滚动轴承应用手册： f=1.9,A=85N 1 1 85=已知轴向预紧力的前提下，角接触球轴承的径向刚度 = 7 72 ( ) = 2轴单元主要结构参数确定及刚度验算 主要假设： 1：用单一的当量截面代替多个不同尺寸的界面； 2：用合并的方法，将多个轴承简化为前后两个支撑； 3： 将轴承简化为径向压缩的弹簧，认为轴承只具有径向刚度，而不具有角刚度； 4：忽略转速对轴承钢度的影响 ; 5；忽略轴承负荷对轴承刚度的影响，即把轴承刚度当做不变的常数对待； 计算步骤 主轴直径的初选：参考国内电主轴生产厂家技术资料，根据电机，拉刀机构等外购 件 的 尺 寸 常 数 ， 初 步 确 定 主 轴 的 当 量 直 径 D= 主 轴 的 内 孔 直 径 d=30铣床 d=拉杆直径 +5伸量 伸量 选择主轴端部结构以及考虑刀具的安装，轴承的类型及密封结构时，应尽可能减小主轴的悬伸量。初步确定前伸量 a=60前后支撑均选用双联角接触轴承 K=2 2= ( )=0 2 =使用机床设计手册 （ 知 =6； =6a=360 00为 =为合理跨距， =以，取 =300足要求； 主轴刚度的验算 P=80N Y=z= . /+ . / + . / = 2R= = = 2足刚度要求 速电主轴临界转速的核算 当轴的转速达到一定值时，轴将产生强烈的横向震动，如果继续提高其转速，震动就会减弱，但当转速达到另一较高的定值时，强烈震动又会从新出现。这种发生强烈震动时的转速称为轴的临界转速，同一根轴有很多个临界转速，按其数值有小到大排列，称为第一阶临界转速，第二阶临界转速，等等 轴的工作转速应应避免等于或接近其临界转速，以避免发生共振，影响机床的加工质量，工作速度低于第一阶临界转速的轴称为刚性轴，通常 ， 常是 0 7 如果核算结果， 临界转速低时，可通过提高轴的刚度或减轻轴的重量来提高其临界转速。 当一根双支撑的等径轴上装有 i 个盘状类零件时，其临界转速有如下的关系式：2 分别为只装一个盘类零件且不计轴重时的临界转速 不装零件时两支撑带悬臂的轴的临界转速按下式计算： 885 (r/ 2对于空心钢轴，比重为 性模量 E=06断面的惯性矩 I= ( ) 2的重量 W=( ) L（ 2 ( ) (r/ 2只装一个盘状零件且不计轴重时的临界转速按下式计算： 00 (r/ 2 对于空心钢轴： 0 . /（ r/ 2已知电主轴的技术参数如下： 主轴的当量直径 D= 主 轴 的 内 孔 直 径 d=40悬伸量 a=60支撑之间的跨距 l=300机转子重量 ：求不装
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。
川公网安备: 51019002004831号