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光学磨床主轴设计及三维建模
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2771 光学磨床主轴设计及三维建模,2771,光学磨床主轴设计及三维建模,光学,磨床,主轴,设计,三维,建模
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西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文)中期报告题目：光学磨床主轴设计及三维建模 系 别 机电信息系 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 B070203 姓 名 董俊伟 学 号 B07020303 导 师 姚敏茹 2011年3月15日41. 设计（论文）进展状况自开题答辩以来，经过对本毕业课题的深入了解和学习，查阅相关资料和拟定毕业设计工作计划，基本上对本课题的完成有了更加深入的了解。在导师的指导下，对本课题需要完成的工作有了明确的目标。通过假期收集大量的有关磨床主轴系统的资料，同时借阅相关参考书通过学习其结构和用途，对水射流设计有了更加深入的了解。完成了外文的翻译工作，使用CAD、solidwoks完成了对磨床主轴系统的绘制。对毕业设计的进展打好了基础。通过学习，知道了对磨床主轴设计的注意的事项，知道了如何对机械零件的参数化设计和数据库的建立。把磨头的安装方式改为通过花键和主轴联接，具有受力均匀、承受载荷较大、对中性好、导向性好、联接质量高等优点，避免了锥面、半圆键联接主轴高速旋转时的周期性激振，同时和主轴的对端带轮安装的方式一致。 为进一步提高主轴回转精度，采用液体静压轴承对主轴实现支承，具有回转精度高、运转平稳和抗振l生好等优点，故主轴支承选用液体静压轴承。 对主轴进行重新设计，其空心部分的设计中引入了仿生空心结构设计理论。使空心轴的壁厚约为其外径的217，所以主轴的抗扭、抗弩陛能较好.PM500平面磨床主轴简图，如图l所示。其主要长度尺寸如图l所示。考虑到轴为空心结构，且主轴转速较高，载荷较大，刚度要求较高，同时考虑经济因素，取主轴的材料为40Cr，弹性模量E=21xlOgPa，材料密度DENS=782x10 kgmmL泊松比NUXY=0_3，主轴的热处理方法选择调质处理。 图12. 存在问题及解决措施存在问题：磨头升降系统了解不够，主轴材料相关知识需要补充解决措施：鉴于在毕业设计中遇到的问题，我打算按照以下方式来解决1进一步认识磨头升降机构原理。2加强跟指导老师的联系以及和相关课题同学的交流学习，让指导老师指出设计过程中存在的问题和注意的事项。3参照书籍的相关资料，对于不懂得的问题及时向老师请教或者借助网络查询学习。3. 后期工作安排1.设计出磨头装配图2设计计算，完成主轴系统相关计算。3为磨床主轴系统部分零部件进行三维建模。6.撰写说明书，完成毕业设计的其余部分。7.完成论文的录入排版，准备答辩。 8.毕业答辩，装订论文。 指导教师签字： 年 月 日本页单独成页5 指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见） 指导教师： 年 月 日 6 所在系审查意见： 系主管领导： 年 月 日注：1. 正文：宋体小四号字，行距22磅。2. 开题报告由各系集中归档保存。XXXX 大学大学本科毕业设计本科毕业设计(论文论文)题目题目：光学磨床主轴设计及三维建模光学磨床主轴设计及三维建模系系 别：别： 机电信息系机电信息系 专专 业：业： 机械设计制造及其自动化机械设计制造及其自动化班班 级：级： 1230203 学学 生：生： XXXX 学学 号：号： 123020303 指导教师：指导教师： XXXX 2011 年 06 月毕业设计（论文）任务书系别 机电信息系 专业 机械设计制造及其自动化 班级 1230203 姓名 XXXX 学号 123020303 1.毕业设计(论文)题目： 光学磨床主轴设计及三维建模 2.题目背景和意义：光学磨床是光学玻璃精加工的主要设备，国产光学磨床普遍存在精度低、自动化程度低、工作环境差等缺点，平面磨床主轴部件是保证光学零件精度的关键部件，实现光学磨床主轴部件设计，并利用三维软件实现建模，对关键部件进行分析，提高设计精度，对提高我国光学玻璃的制造水平有一定的现实意义，具有较高的经济效益和社会效益。3.设计(论文)的主要内容及技术指标： (1)了解光学磨床的的工作原理和主轴精度要求，提出主轴设计方案； (2)主轴主要部件设计计算及校核； (3)主轴主要部件设计三维建模； (4)关键部件的分析； 4 设计的基本要求及进度安排： (1) 学习、熟练应用计算机绘图工具。 (2) 1-3 周，课题调研，开题准备，提交开题报告。 (3) 4-10 周，完成中期工作，提交中期报告。 (4) 11-18 周，完成全部设计工作，进行论文撰写，提交毕业论文和必要的图纸，准备答辩。 指导教师签名： 年 月 日 学生签名： 年 月 日 系主任审批： 年 月 日说明：1 本表一式二份，一份由学生装订入册，一份教师自留。2 带*项可根据学科特点选填。 I光学磨床主轴设计及三维建模光学磨床主轴设计及三维建模摘摘 要要 现代机床的发展日益趋向高效率和高精度，这对机床的设计提出了更高的要求，需要采用更先进和合理的设计方法来完成机床设计优化。对于磨床而言，主轴组件是磨床极为重要的组成部分，其性能的好坏对磨床的性能有着重要的影响。本文具体研究分析了磨床发展的现状，磨床主轴组件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，对主轴组件进行了受力分析计算，同时对该类立轴圆台平面磨削的磨削力进行了分析。利用轴承静刚度的有效经验计算公式，结合该磨床的实际情况对轴承的刚度状况进行了分析。 关键词：关键词：光学磨床；主轴设计；三维建模；Solid Edge IIOptical design and three-dimensional modeling ogrinding spindleAbstractThe growing tendency of the development of modern machine tools with high efficiency and precision, the design of this machine a higher requirements, the need to adopt more advanced and reasonable design method to complete the machine design optimization. For the grinding, the grinding spindle is a very important component part of, the performance is good or bad performance on the grinding machine has a significant impact. This detailed analysis of the development status grinder, grinding machine spindle component of development conditions and trends; In conclusion, based on the results of previous studies, combined with current technology trends, force analysis of spindle components were calculated at the same time that type of spindle and round table surface grinding of the grinding force is analyzed. STIFFNESS OF EXTERNALLY effective use of axis empirical formula, combined with the grinding reality of the bearing stiffness conditions were analyzed.KeyWords: optical grinder; Spindle Design; three-dimensional modeling; Solid Edget 目目 录录1 绪绪 论论11.1 课题研究的背景和意义 11.2 磨削精度和表面质量 21.3 国内外平磨设备的发展 21.4 PM500 平面磨床的工作原理31.5PM5OO 传动系统41.6 磨头机构及其主轴组件的研究现状 42 主轴组件的受力与支承轴承刚度主轴组件的受力与支承轴承刚度62.1 主轴组件的受力分析 62.1.1 动力及工况简介62.1.2 带传动产生的轴压力62.2 主轴支承轴承的刚度分析 72.2.1 轴承刚度计算理论72.2.2 轴承预紧82.3 主轴支承轴承的刚度计算102.3.1 下支承刚度102.3.2 中支承刚度102.3.3 上支承刚度112.3.4 推力球轴承113 主轴部分的设计主轴部分的设计123.1 主轴设计的主要内容 123.2 轴材料的选择 123.3 主轴结构分析 133.4 主轴结构的改进 133.5 主轴的结构设计 134 SOLID EDGE 三维建模三维建模 164.1 三维设计软件的简介 164.2 特征建模技术的特点164.3 SOLID EDGE建模的操作方法174.3.1 简单三维实体建模技术18 4.3.2 复杂三维实体建模技术184.4 主轴系统部分零部件建模 195.磨床主轴的模型装配磨床主轴的模型装配236 结论结论25致致 谢谢27毕业设计（论文）知识产权声明毕业设计（论文）知识产权声明28毕业设计（论文）独创性声明毕业设计（论文）独创性声明29 主要符号表HRC硬度m微米 T丝杆所受扭距minr转/分钟p许用挤压应力2/N mm抗拉压强度 P许用压强 ()Mpa.N m rad扭转刚度H键与轮毂的接触高度I丝杆危险截面惯性距p挤压应力P压强d轴的直径E丝杆材料的抗压弹性模量tW丝杆螺纹抗扭截面系数 1 绪论 11 绪绪 论论1 11 1 课题研究的背景和意义课题研究的背景和意义制造业，尤其是装备制造业的整体能力和水平将决定各国的经济实力、国防实力、综合国力和在全球经济中的竞争能力。20世纪以来,世界各国对制造业都极其重视。为此美国重新提出了“制造业仍是美国的经济基础”,要“促进先进制造技术的发展”。为了预测未来制造业的发展，1997年美国制定了“下一代制造计划”,提出了人、技术、与管理为未来制造业成功的三要素及关键技术。接着又提出了“展望2020年制造业的挑战”制造业是国家财富的主要创造者，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，系关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。机床是机械加工行业中最基本的劳动工具，在工厂中每时每刻都在使用，是制造业和机械零件加工行业中最根本的工作手段，也是应用最广泛的加工工具。而磨床是车，铣、刨、磨各类机床中最基本的最普遍的施行精加工的机床，绝大部分机器零件最终加工的精度和质量，都取决于磨床的精度水平。因此，在制造业中，磨床的总体技术水平和拥有数量对于各类零部件的加工质量和加工效率是十分重要的。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态和动态性能，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。对于设备改造而言，也要有同样的步骤：首先，确定改造的目标；进而分析原设备的性能参数；然后根据分析结果对原设计进行取舍和相应的改造并加以分析优化以实现改造目标。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， 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文) 2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，有些项目无法准确计算。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，还不能够进行全面深入的研究，从而根本上也谈不上优化设计以及动态设计，多为“设计一制造一修改设计一制造”周期循环，有些甚至经过几代制造才可能形成比较好的产品，费时费力，效率低下。1.2 磨削精度和表面质量磨削精度和表面质量许多零件加工磨削是最终加工工序，因此直接决定工件的质量。影响表面粗糙度的主要因素是磨削用量、磨具特性、砂轮表面状态、切削液、工件材质和机床条件等。由于磨削热和塑性变形等原因，磨削表面会产生残余应力。残余压应力可提高工件的疲劳强度和寿命；残余拉应力则会降低疲劳强度，当残余拉应力超过材料的强度极限时，就会出现磨削裂纹。磨削过程中因塑性变形而发生的金属强化作用，使表面金属显微硬度明显增加，但也会因磨削热的影响，使强化了的金属发生弱化。在平面磨削时，工件速度硬为 1020m/min。而常规外圆磨削，该速度应为 1520m/min，对于尺寸较小的工件，该速度应相应减小，一般为 510m/min。工件移动速度的变化是砂轮磨削性能也随之改变。增加工件移动的速度像使砂轮变软，而减慢工件移动的速度，像使砂轮变硬。1.3 国内外平磨设备的发展国内外平磨设备的发展平面磨床是磨床类机床中发展潜力最大的机床，在完成传统的平面磨削功能外，以平磨的床身、拖板、台面、磨头等大件为基础，可以演变成外圆、曲线、工具、无心等磨床。由于我国的平面磨床大多为六十年代制造，性能相对都比较差，近几十年以来，先后采用新技术对一些磨床进行了改造，提高了精度和性能。改造过程中主要采用滑动轴承尤其是静压技术对其进行了改进。近几年来，精度作为平面磨床的一项重要的考核指标而越来越受到各国专家的重视，而主轴部件作为磨床的主要组成部件，亦是影响平面磨床精度的关键技术之一。我国把高速主轴单元制造技术研究作为“十五”目标及主要研究内容之一：着力进行主轴材料、结构、轴承的研究与开发；主轴系统动态特性及热态性研究；柔性主轴及其轴承的弹性支承技术研究；主轴系统的润滑与冷却技术研究；主轴的多目标优化设计技术、虚拟设计技术研究；主轴换刀技术研究。目前，国际上平面磨床工作台往复速度最高可达 200m/min，工作台的加速度 50m/s2。当然，这都是采用直线电机后才达到了这个水平。确实，新功能部件的使用对提高机床主机的性能起了非常大的作用。 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文) 3对于难加工材料和硬质材料具有很大的潜力的磨削方法高速行程磨削，也称为快速短行程磨削，这种方法是以高的工作台速度和高的加速度进行磨削加工。传动方式由原来的直流电机齿带或滚珠丝杠传动变为采用直线电机驱动，其运动速度更快，效率更高，应用范围更广。近几年，欧洲高速行程磨削得到较快的进步，实现了 2 个目标减少加工费用 40%和减少磨削时间 50%。从磨削机理看，高速行程磨削不是一种全新的加工方式，而是平面磨削的变型或是平面磨削的延伸。总之，高速行程磨削技术是一种新的有效的平面磨削方法。磨削加工中心的小型化、实用化和复合化，磨削加工中心的发展已有多年的，随着磨削加工技术和计算机技术的不断进步，磨削加工中心的制造水平不断提高。磨削加工中心是一种柔性的磨削加工系统，它的技术基础是机电一体化和计算机技术。磨削加工中心一般可分为加工中心延长型和常规磨床延长型二种。国外机床制造企业都有强大的自主创新能力，在每届重要的机床展览会上都能发现新的亮点。例如在 2005 年的欧洲机床展览会上，MAEGERLE 公司展出了一台最新的 MFP 数控磨床，该机在世界上首次采用最新的驱动技术和西门子最新一代的 SINUMERIK 在线控制的数控装置。其最大的优点是：最大的阻尼特性和进给力，加上在丝杠轴和螺母之间无磨损的运行。此外，与直线驱动相比，能量消耗要低 10 倍以上，不会产生任何热量精度作为平面磨床的一项重要的考核指标而越来越受到各国专家的重视，因此平面磨床加工精度有了新的突破。微米以下进给机构是超精密平面磨床的关键技术之一。目前，很多平面磨床己实现了最小进给量 01m，各国制造厂为实现这种微小进给一般都采用精密数控系统，最大限度地缩短进给传动链等措施来满足机床这一要求。1.4 PM500 平面磨床的工作原理平面磨床的工作原理 现代平面磨床的种类很多，有立轴圆台式平面磨床、立轴矩形式平面磨床、卧轴圆台式平面磨床、卧轴圆台式平面磨床。 PM500 为立轴圆台式平面磨床，利用砂轮的端面进行磨削加工。磨头在作旋转运动的同时，作垂直方向的升降运动。下降运动依靠磨头自身的重力实现，而上升运动依靠丝杠的带动实现，工作台带动工件作旋转运动，从而进行对工件的磨削加工。平面磨床是光学玻璃精加工的主要设备，国产光学磨床普遍存在精度底，自动化程度底，工作环境差等缺点，平面磨床工作台是保证光学零件精度的关 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文) 4键部件，实现 PM500 平面磨床工作台设计，提高设计精度，对提高我国光学玻璃的制造水平有一定的现实意义，具有提高经济效益和社会效益的重要意义。 1.5PM5OO 传动系统传动系统 图 1.1 传动系统示意图磨床传动系统如图 1.1 所示，它的驱动源是三相异步电动机。电动机是安置于主轴箱内，主要负责主轴系统的上下移动，由一级带轮的一个分支通过以上的传动系统驱动磨床工作台。1.61.6 磨头机构及其主轴组件的研究现状磨头机构及其主轴组件的研究现状 磨头机构是磨床的核心机构，它的性能好坏直接决定着磨床的加工质量和精度，而其中最核心的即主轴组件，主轴组件的性能主要有如下几个方面：受力变形、固有频率、频率响应、临界转速等。 国内外许多学者针对主轴组件做了很多研究。早在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。Taha使用理论和实验相结合的方法，研究了滚动轴承径向静态刚度。1985年，Neddy和Sharo应用有限元模型研究车床主轴的动态特性及其设计。1988年，Sadeghipo将动柔度分析引入对主轴系统的动力特牲和动态设计的研究之中。1997年，美国普渡大学的BertRJorgensen和YtmgCShintlul推出了一个包括热变形的轴承载荷变形模型，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、轴承刚度和热变形的较好的计算值。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，YhlandLlu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。 我国的学者也在该领域进行了研究，采用的方法有理论分析计算、动态试验以及二者相结合等。何邦贵等纠对主轴系统动力特性研究是以某车床主轴为 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文) 5研究对象，应用有限元析法和实验方法，根据动柔度实验数据辨识出主轴系统的模态参数，建立主轴和支撑系统的动力学模型。采用计算机仿真技术，研究轴承等效径向(轴向)刚度与阻尼参数、轴承预紧力、跨距、附加集中质量和阻尼等设计参数对主轴系统动力特性的影响规律。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。1994年，大连理工大学的肖曙红I州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SAAS。1999年，北京工业大学的费仁元等叫采用实验方法对复杂的主轴部件进行了动态特性分析。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。同年，北京理工大学的刘素华利用有限元分析软件ALGOR FEAS对电主轴的动静态特性进行了分析。2001年，杨曼云等利用MSCNastran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。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。2003年，无锡机床股份有限公司的蔡英等M叫基于RiccaRi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。2005年，东北大学的贾振超瞄”利用ANSYS虚拟样机有限元分析与实验模态相结合的方法CKS6125机床进行了动态性能分析。 对于磨床的专门主轴系统，天津市磨床总厂的王玉新1221通过实验对高效率，强力磨削磨床的抗振性进行了研究。2002年，天津大学的杨志永口驯对数控卧轴矩形平台平面磨床的主轴系统进行了抗振性研究，并通过设计主轴减振装置使主轴的振动最大幅值降低了30左右。2003年湖州市城市规划设计研究院的陆琴新1241以working model和VC+为平台，对磨床主轴性能进行了仿真分析。宋德儒等瞄川以实验方法对高速实验磨床电主轴高速旋转时振动的原因进行了研究，并对其结构进行了改进。 2 主轴组件的受力与支承轴承刚度 62 主轴组件的受力与支承轴承刚度主轴组件的受力与支承轴承刚度2.1 主轴组件的受力分析主轴组件的受力分析 主轴组件依托磨头机构在丝杠作用下沿导轨作竖直方向的进给运动,除自重外主要承受两种外力：皮带传动过程中对主轴产生的轴压力；磨削过程中的磨削力。2.1.1 动力及工况简介动力及工况简介 磨头的动力传动方式为带传动：电机一皮带一皮带轮一花键副一主轴砂轮，电机为5.5Kw,皮带为3根普通v带(A型),实现的主轴转速为2000转分。2.1.2 带传动产生的轴压力带传动产生的轴压力 带传动的轴压力计算依据于“槽面摩擦原理”：在同样的张紧力下,V带传动较平带传动能产生更大的摩擦力。 P =P (2.1)dAK (2.2)ooaDD3 .57180121 (2.3)20) 15 . 2(500qvkzvpFad (2.4)2sin210azFF 式中：P电机功率设计功率dp工况系数AK小带轮包角1大带轮直径2D带轮直径1Da带轮中心距 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文) 7单根皮带拉力0Fz皮带根数v带速(其中为小带轮转速),/10006011smnDv1n小带轮包角正系数aKqV 带单位长度质量F轴压力 对于本课题,P=5.5Kw,=363mm, =145mm,a=500m,z=3,q=0.10Kgm，2D1D取工况系数=1.2,将(2.1)(2.2)(2.3)式计算的结果代入(2.4)式可计算出轴压力aKF=1712N。2.2 主轴支承轴承的刚度分析主轴支承轴承的刚度分析 机床主轴支承一般都是采用滚动轴承,主轴的支承刚度是最重要的参数之一,它直接影响到动力学模型的精确度。刚度是主轴轴承动态性能的主要评价指标,轴承的动态性能对主轴轴承系统的工作精度和抗振能力有很大的影响。对于主轴系统来说,轴承的刚度影响约占40左右,因此本节内容对轴承的工作状态迸行分析。2.2.1 轴承刚度计算理论轴承刚度计算理论 轴承抵抗外载荷作用下变形的能力称为轴承的刚性,利用轴承刚度表示,轴承刚度是轴承在某一状态下所受外加载荷改变量与内外套圈之间相对位移改变量的比值： LFK其中，K轴承刚度 外加载荷的改变量,负荷可以为力或力矩F 内外套圈间的位移改变量,可以为线位移或角位移l 轴承的工作状态指轴承的转速,内,外圈温差,预紧力以及游隙和负荷。游隙定义为一个套圈固定,另一个套圈不受外负荷时,沿径向或轴向从一个极限位置到另一个极限位的移动量,按照移动方向,前者称为径向游隙,后者称为轴向游隙。 轴承滚动体与滚道间在无载荷情况下的接触为点接触或线接触,承受载荷后 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文) 8接触面积随着载荷的增大而增大。因此，轴承的刚度不是一个常数,而是随着载荷的改变而改变。 位移与载荷的一般曲线关系如图2.1,负荷较小时,负荷改变量引起位移改变量,比负荷较大时同样的负荷改变量引起的位移改变量要大。说明在一般情况下,当负荷增加时,轴承的刚度有所增大。 图2.1轴承位移载荷关系图 滚动轴承刚度计算的理论基础为弹性接触理论,即赫兹接触理论。赫兹最早研究了两个弹性体的接触问题,在某些简化假设下,求得接触面的压力分布及其作用力的大小。赫兹的研究成果,至今仍为滚动轴承作用力和变形计算的主要依据。滚动轴承的滚动体与内外圈滚道的接触是典型的赫兹接触问题。为此一个滚动轴承的刚度可以按如下公式计算： K=F/()321其中, F经向载荷,N 轴承的径向弹性位移,mm1 轴承外圈与箱体的接触变形,mm2 轴承内圈与轴径的接触变形,mm32.2.2 轴承预紧轴承预紧滚动轴承预紧指在安装时使滚动体与滚道保持一定的初始压力和弹性变形, 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文) 9以减少工作负荷下轴承的实际变形量。适当的预紧可以提高支承刚度、提高旋转精度、提高轴承寿命、提高轴承的阻尼和降低噪声,同时也保证了轴承磨损之 后其径向间隙的可补性。磨床磨头机构如图2.2所示：作为下支承的是一个双列向心短圆柱滚子轴承,中间支承为一个圆柱滚子轴承(内圈有挡边),上支承为两个并联的单列向心球轴承,其间有一个推力球轴承来承受预紧弹簧的轴向预紧力。 作为主轴组件上支承的为双列向心短圆柱滚子轴承,它既可以承受一定量的轴向变量载荷,也可以承受较大的径向冲击载荷。它的预紧是通过带有l：12锥度的内圈锥孔来实现的,见图2.3：当内圈在主轴的锥颈上受轴向力而移动时，内圈将胀大,引起滚子包络圆直径变大。滚子包络圆直径与安装后外圈滚道直2D2D径之差g=,就是这种轴承的径向预紧量(简称预紧量)；gO时轴承处于1D12DD 预紧状态，gO时轴承处于间隙状态。 图2.2磨床磨头机构图 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文) 10 图2.3锥度的内圈锥孔 预紧量较小时,对轴承动刚度提高有比较明显的作用,在预紧量超过5m后,轴承刚度基本为一个定值；但是超过某预紧值时则无明显的作用,轴承内部滚子与滚道的弹性接触变形增大,变形能转化为热能时,就使轴承温度升高,故预紧量越大,温升值越高。对于NN0000K型轴承,转速在12002500转/min时,预紧量超过8m时,轴承温升将显著增加。因而58m是比较理想的预紧量。以此类比,取本文中的双列向心短圆柱滚子轴承预紧量为6m。2.3 主轴支承轴承的刚度计算主轴支承轴承的刚度计算2.3.1 下支承刚度下支承刚度下支承轴承型号及参数：NN000K型(3182112)双列向心短圆柱滚子轴承,D=95mm，d=60mm，B=26mm，i=2，z=24，=8mm，L=8mm，r=08ram；d预紧量g=-6m(“-”表示预紧)，经计算轴承所受径向力约1500N,利用前述的公式：Q=NizF25.156242150055mmrLa4 . 68 . 02821mLQa65. 14 . 625.1561069. 7cos1069. 78 . 09 . 058 . 09 . 05相对间隙：g/查表得，则外,63. 365. 1/6025. 0.41. 001m 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文) 11圈与箱体孔为过盈配合，查表得。得到：11. 05 . 9/1/ d25. 02HmbdFH99. 05 . 96 . 214. 325. 01500204. 0204. 022 内圈与轴径为椎体配合，得到：05. 02H mFHbdFH31. 066 , 214. 3204. 0204. 0223则下支承刚度mNFk/87731. 099. 041. 0150032112.3.2 中支承刚度中支承刚度 中支承轴承型号及参数：N0000型(内圈有挡边N208)圆柱滚子轴承,D=80mm,d=40mm,B=19ram,i=1，z=14, =10mm,L=7.8mm,r=0。只承受径向d载荷,在过盈配合的安装过程中已经完成了预紧。计算载荷约为F=1100N。步骤同下支承求算,得到中支承刚度。mN/330K22.3.3 上支承刚度上支承刚度上支承轴承型号及参数：6000型(6209)单列向心球轴承,两个同型号轴承并联,安装过程中已经完成预紧。D=85mm,d=45mm,B=18,i=1,z=9,=12.7mm。单个轴d承径向载荷约856N,步骤同上,计算得到上支承单个轴承的径向刚度值=578N/3K。m2.3.4 推力球轴承推力球轴承对于推力球轴承,只承受单向的轴向载荷。上面的一个推力球轴承在安装过程中通过预紧弹簧实现预紧,下面的一个通过紧固螺母实现预紧。 3 主轴部分的设计 123 主轴部分的设计主轴部分的设计3.1 主轴设计的主要内容主轴设计的主要内容轴的结构设计是根据轴上零件的安装，定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理的确定轴的结构形式和尺寸。轴的结构设计不合理，会影响轴的工作能力和轴上零件的工作可靠性，还会增加轴的制造成本和轴上零件装配的困难等。因此，轴的结构设计是轴设计中的主要内容。轴的工作能力计算指的是轴的强度，刚度和震动稳定性等方面的计算。多数情况下，轴的工作能力主要取决于轴的强度。这是只需对轴进行强度计算，以防止断裂或塑性变形。而对刚度要求高的轴（如车床主轴）和受力大的细长轴，还应进行刚度计算，以防止发生共振而破坏。3.2 轴材料的选择轴材料的选择 轴的材料主要是碳钢和合金钢。钢轴的毛坯多数用轧制圆钢和锻件，有的则直接用圆钢。 由于碳钢比合金钢低廉，对应力集中敏感性比较底，同时也可以用热处理或化学热处理的办法提高其耐磨性和抗疲劳强度，固采用碳刚制造轴尤为广泛，其中最常用的是 45 钢。 合金钢比碳刚具有更好的力学性能和更好的淬火性能。因此在传递动力，并要求减小尺寸与质量，提高轴颈的耐磨性，以及处于高温或低温条件下工作的轴，常采用合金钢。 但值得注意的是，在一般工作温度下（低于 200 摄氏度） ，各种碳钢和合金钢的弹性模量均相差不多，因此在选择钢的种类和决定钢的热处理方法时，所根据的是强度和耐磨性，而不是轴的弯曲或扭转刚度。但也应当注意，在既定条件下，有时也可以选择强度较底的钢材，而用适当怎加轴的截面面积的方法开提高轴的刚度。 各种热处理（如高频淬火，渗碳，氮化，氰化等）以及表面强化处理（如喷丸，滚压等） ，对提高轴的抗疲劳强度都有着显著的效果。 高强度铸铁和球墨铸铁容易做成复杂的形状，且具有低廉，良好的吸振性和耐磨性，以及对应力集中的敏感性较底等优点，可用于制造外形复杂的轴。根据我们高转矩低转速保证使用寿命的传动特性，选择 45 钢比较合理 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文) 133.3 主轴结构分析主轴结构分析 磨头在作旋转运动的同时，作垂直方向的升降运动。下降运动依靠磨头自身的重力实现，而上升运动依靠丝杠的带动实现。主轴系统主要作用是带动磨头(刀具)作旋转运动，由主轴、主轴支承和安装在主轴上的传动件、密封件等组成。磨头通过锥面、紧固螺母、半圆键和主轴联接，主轴通过花键和带轮联接。主轴为空心轴，中心通冷却液，实现磨削时工作区的冷却。 3.4 主轴结构的改进主轴结构的改进 把磨头的安装方式改为通过花键和主轴联接，具有受力均匀、承受载荷较大、对中性好、导向性好、联接质量高等优点，避免了锥面、半圆键联接主轴高速旋转时的周期性激振，同时和主轴的对端带轮安装的方式一致。为进一步提高主轴回转精度，采用液体静压轴承对主轴实现支承，具有回转精度高、运转平稳和抗振l生好等优点，故主轴支承选用液体静压轴承。 对主轴进行重新设计，其空心部分的设计中引入了仿生空心 结构设计理论。使空心轴的壁厚约为其外径的217，所以主轴的抗扭、抗弩陛能较好.PM500平面磨床主轴简图，如图3.1所示。其主要长度尺寸如图3.1所示所示。考虑到轴为空心结构，且主轴转速较高，载荷较大，刚度要求较高，同时考虑经济因素，取主轴的材料为40Cr，弹性模量E=21xlOgPa，材料密度DENS=782x10 kgmmL泊松比NUXY=0_3，主轴的热处理方法选择调质处理。 图3.1 主轴结构简图3.5 主轴的结构设计主轴的结构设计机床主轴电机额定功率为PS=4kW，主轴的转速为n=2530r/min，采用 带传动，计算可得主轴的转矩：T=955106=14343Nmm计算空心轴的最nps 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文) 14直径，其设计公式为：d式中：P一轴传递的功率(kW)； 34612 . 01055. 9npn一转速(rmin)； 一许用扭转切应力(MPa)，系数 =d1d，其中，d1一空心轴内径，d一外径，按照仿生空心结构设计理论，取=37。可以计算d=12.28mm34673125308 . 3402 . 01055. 9考虑到主轴中心冷却液流量和加工工艺问题，取轴的内径d120mm，最小外径取30mm。根据轴的结构草图绘出轴的计算简图，轴承的支承力的作用取其中心，轴可按照外伸梁进行受力分析。主轴匕带轮安装部位所受径向力可通过带两边的张紧力的合力计算，可求出皮带作用在轴上的作用力Q=900N，支点反力RB=675N，RC=1575N，弯矩慨 MB=MD=0 MC=l14750Nmm。轴的受力简图、弯矩图和扭矩图，如图3.2所示。 图3.2主轴的计算简图 按弯扭组合应力校核公式对轴上承受最大弯矩和扭矩的截面(即危险截面c)进行强度校核，可求出： =9.45MPaS，该轴C截面是安全的 4 Solid Edge 三维建模 164 Solid Edge 三维建模三维建模4.1 三维设计软件的简介三维设计软件的简介随着计算机技术的不断发展，机械设计和工业设计方面的自动化也随之蓬勃发展，同时世界上也出现了越来越多的 CAD/CAM 设计软件，如 Solid Edge、Pro/Engineer、AutoCAD 等。Solid Edge 是 UGS 公司的中档 CAD 系统， Solid Edge 是为机械设计量身定制的 CAD 系统，从零件设计、装配设计到工程制图，各种功能无所不在。装配造型无以伦比，通用零件造型功能强大，专业化的钣金、管道、焊接设计独具特色，而制图模块则简洁明了。 Solid Edge 采用了 STREAM 技术，将逻辑推理和决策分析融入到机械设计的各个过程中，动态捕捉您的设计意图。同样是机械设计，STREAM 技术能减少鼠标和键盘操作达 45%57%，提高效率 36%。Solid Edge 采用 Para Solid 作为软件核心，将中端 CAD 系统与世界上最具领先地位的实体造型引擎结合在一起，功能强大，是从事三维设计的优秀 CAD 软件。同时还提供了从二维视图到三维实体的转换工具。您无需摒弃多年来二维制图的成果，借助 Solid Edge 就能迅速跃升到三维设计 Solid Edge 不但是一个独特的 CAD 系统，同时又是实现系统集成的基础。基于 Solid Edge 的 CAM、CAE 软件丰富多样，且都能与 Solid Edge 无缝结合。通过系统集成，就能有效地剔除冗余数据，减少从设计到产品的开发周期。机械 CAD 软件 Solid Edge，是美国 EDS 公司的一款中档机械 CAD 应用软件，适合于有自主设计产品的企业（公司），如：机械制造、模具（模型）设计、薄壁箱体设计制造、船舶设计制造、飞机设计、汽车设计、三维效果设计等方面。4.2 特征建模技术的特征建模技术的特点特点4.2.1 特征特征机械 CAD 软件 Solid Edge 有以下特点：a.是运行在是运行在 Windows 操作系统上的操作系统上的 CAD 工具工具:Solid Edge 是真正的原创 Windows 软件。Solid Edge 与 Microsoft Office 兼容，这使得设计师们使用 CAD 系统时，能够进行 Windows 下的字处理、电子报表、数据库、演示和电子邮件包等，也能与其它 OLE 兼容系统集成。用户通过帮助教程，不用培训也可以自行掌握基本的 Solid Edge 技术。可以说，Solid Edge 是一个彻底的“傻瓜型，三维 CAD 设计软件，适合于广大的设计人员使 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文) 17用。b.允许二次开发允许二次开发：因为 Solid Edge 完全支持 OLE2 的标准并提供了自动化接口，用户可以使用开发语言，如 VB 或 VC，在其之上进行二次开发，编写具有自己企业特点的应用程序。c.具有系列连动的参变数设计和特征技术具有系列连动的参变数设计和特征技术:区别于低端软件，Solid Edge 是基于参数和特征实体造型的新一代机械设计 CAD 系统。它是为设计人员专门开发的易于操作的实体造型系统，并完全执行设计工程师的意图。专业设计人员完全可以利用参变数技术，完成几乎任何机械零件或装配件的造型，并且可以把 Solid Edge 特征保存在特征库内供以后使用。d.容许二维转三维自动完成容许二维转三维自动完成:Solid Edge 通过绘制轮廓而生成实体。它的二维绘图模块充分体现了参数和变数技术的完美结合。设计人员可以在二维状态任意徒手绘图，毫不受约束地表达设计思想,使设计人员在概念设计时得心应手，并立刻转成三维图。e.基于数学关系式变量表和零件族基于数学关系式变量表和零件族:设计人员可以利用 Solid Edge 变量表的技术，针对一些关键尺寸建立数学关系式，使产品“活”起来。用户只要改变关键尺寸，就可以得到形状和性能各异的零件，并通过零件族的功能存储起来。这样，工程师设计了一个零件后，实际上是设计了一个系列的产品。Solid Edge 流技术使人们工作得更好，计算机运转得更快，进而企业获益更高,很快会回报客户的投资。f.视觉多层次的装配设计视觉多层次的装配设计:Solid Edge 的装配采用树状的管理方式。一个装配件内可以包含多个子装配件和零件，层次清楚并易于管理。Solid Edge 包含一个独特的爆炸环境，可以在保留装配结构和零件关系的同时，使系统按预先设定的方向自动爆炸装配件。g.独立的钣金设计模块独立的钣金设计模块:Solid Edge 的钣金功能非常强大，包括平面特征、多重弯曲、凸缘、切割、自动展平、弯折和斜角等十余项功能，足以完成极其复杂的钣金设计。Solid Edge的最新版本更增加了诸如打折、凹坑和特殊孔等功能，可以造出散热器气窗和冲压孔等各种冲压和冷拔特征，并能展开天圆地方类的钣金表面。h.优化了的模塑和铸造设计优化了的模塑和铸造设计:Solid Edge 模塑加强模块为模塑零件造型树立了一个新的典范。如分割零件、替换面优化了模塑业的造型过程。模塑加强模块还包括附加的曲面造型命令、如替换曲面、扫描和放样，曲面命令能帮你轻松地实现模塑零件的造型。i.复杂造型的演示渲染功能：复杂造型的演示渲染功能：Solid Edge 模塑加强模块提供了一系列新的复杂特征，专门用于较为复杂的模塑和铸造设计的造型。设计人员可以快速完成高品质的 Solid Edge 零件和装配件渲染功能，用于演示、设计、查询、销售或其它目的。 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文) 184.3 Solid Edge 建模的操作建模的操作方法方法4.3.1 简单三维实体建模技术简单三维实体建模技术下面介绍生成简单三维实体所用的拉伸、旋转、扫描和混合等基本操作方法和技巧。拉伸特征是将一个用草图描述的轮廓或横断面沿垂直于横截面方向延伸一段距离后所生成的特征。草图、拉伸方向和拉伸长度是拉伸特征的 3 要素。旋转特征是草图轮廓或横断面，绕旋转中心线转动扫过的轨迹所形成的特征。其中，草图轮廓、旋转中心线和旋转角度构成了旋转特征的 3 要素。扫描特征是由一组草图轮廓或横断面，沿某一路径扫掠所形成的特征。扫描路径和扫描轮廓是扫描特征的必备要素。混合特征是一组空间轮廓按一定的顺序，在轮廓之间进行过渡生成的特征。混合特征的生成必须具备两个或两个以上的轮廓，其中轮廓可以是草图也可以是其它特征的面，甚至可以是一个点。 简单三维实体的建模方法一般可以归纳为：a.a. 由基本体素产生标准几何体特征(方块、圆柱、圆管、圆锥、球等特征)；b.b. 由满足约束条件的截面轮廓二维草图经过拉伸/旋转生成三维特征；c.c. 沿路径配置的二维几何图形经扫描/蒙掠生成曲面实体特征；d.d. 结合以上 3 种方法，利用三维实体特征间的布尔运算(交/并/差)生成新的实体。建模中参数的约束有两种形式：一是几何约束，包括相互平行、相互垂直、相互同心、相互共线和等长等，几何约束是确定要素之间的几何关系，这种约束关系（具有参数化性）在后面的设计中是保持不变的；二是尺寸约束，包括长、宽、高、角度、半径，距离等，这种约束用于确定要素之间的尺寸大小和相对距离。4.3.2 复杂三维实体建模技术复杂三维实体建模技术在实际建模过程中，简单特征可能通过以上任一种方法完成；但对复杂特征，常规的特征操作已难以满足设计的要求，这时可以采用参数和关系式等辅助工具和环形折弯、唇、螺旋扫描等高级特征功能。尽管机械产品的结构形式千差万别，用途和工作原理也各不相同；但在计算机上进行三维实体建模还是有一些规律可循，特别是复杂三维实体的建模方法。复杂三维实体的建模过程一般为：零件结构分析特征分解基准体系分析创建基本特征创建附加特征。 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文) 19a.a.零件结构分析：在三维建模前，一般要根据零件的总体构造特点与零件工作功能机理对零件进行结构分析，把关联关系比较紧密的一些特征作为一个特征集，这样可以把一个复杂零件分成几个类似“零件”的特征集，并分析这些特征集之间的位置关联关系，确定特征集之间的建模顺序。b.b.特征分解：是将一个零件分解为一个具体特征的细化过程，是对复杂设计特征（或功能特征）进行体素分解，将复杂的设计特征分解为简单的设计特征，如草图拉伸特征，孔、倒角特征以及圆柱、方块、圆锥等体素特征，以便进行基于特征的建模。特征分解得到的体素应满足以下条件：一是分解后的体素具有几何意义和工程意义；二是分解后的体素具有还原性，其布尔运算形成的特征应能还原成被分解的特征。c.c.创建基本特征：同简单三维实体建模技术。d.d.创建附加特征：包含可叠加在基本特征中或从基本特征中剪切下来的附加特征，如孔、螺纹、倒角、圆角、退刀槽等局部特征和加强筋。4.4 主轴系统部分零部件建模主轴系统部分零部件建模4.4.1 主轴建模主轴建模主轴系统主要是主轴带动磨头做旋转运动，由主轴和主轴支撑和安装在主轴上的传动件和密封件组成，下面是主轴系统部分建模 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文) 20图 4.1 主轴图 4.2 小轴图 4.3 蜗杆 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文) 21图 4.4 螺钉图 4.5 轴承支撑图 4.6 支座的模型图 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文) 22图 4.7 花键轴承的模拟 5 磨床主轴的模型装配 235.磨床主轴的模型装配磨床主轴的模型装配装配设计所涉及的对象是立体的工业产品。装配设计的优劣，对于缩短产品的开发周期，提高设计质量，降低装配成本有着显著的影响。对处于设计阶段的工业产品，比较直观的评判是在计算机上仿真产品的实际装配过程，实现由可视化方式展开并改进产品性能的目的。另外，Solid Edge 多个设计师在同一装配件并行工作时，可以随时看到其他设计师的工作情况在完成磨床主轴的零件建模之后,就可以进行装配了。可以直接用 Solid Edge 中的快速装配、贴合、面对齐、轴对齐、相切等命令将所有零件模型按要求先装配成部件，然后再加以装配形成完整主轴系统的模型。完成总装配，如图 5.1 图5.1光学磨床主轴总装配图模型Solid Edge中创建爆炸视图，同时保持装配件结构和零件的相互关系。如图5.2 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计(论文) 24 图 5.2 光学磨床主轴设计三维爆炸图 6 结论 256 结论结论通过PM500平面磨床主轴系统模态分析，可以得出主轴的工作转速远低于主轴的临界转速，主轴在工作时不会发生共振。从主轴的各阶固有振型可以看出，主轴在按固有振型振动时，砂轮的安装端变形较小，振动量值也小，所以主轴对于磨削加工中所造成的误差很小，验证了主轴设计的合理性。主轴的模态频率能够用来预测机床各运动部件之间的动态干扰的可能性，通过合理的结构设计可避开共振频率，这
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