基于有限元方法對C6140機床主軸的分析 (1)

畢業(yè)設(shè)計說明書基于有限元方法對C6140機床主軸的分析 學 院： 專 業(yè)： 班 級： 指導教師： 學生姓名： 2011510目 錄摘 要ANSYS有限元軟件包是一個多用途的有限元法計算機設(shè)計程序，可以用來求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。因此它可應用于以下工業(yè)領(lǐng)域： 航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機械、微機電系統(tǒng)、運動器械等。C6140機床是最常見的一款普通手動車削機床，該機床結(jié)構(gòu)較為簡單，操作方便，加工精度高，價格低廉，因此得到了廣泛的使用。目前很多C6140機床都做了適當?shù)母倪M，使其適用性得到了更大的提高。本設(shè)計是基于ANSYS軟件來對C6140機床主軸經(jīng)行分析。與傳統(tǒng)的計算相比，借助于計算機有限元分析方法能更加快捷和精確的得到結(jié)果。設(shè)置正確的模型、劃分合適的網(wǎng)格，并合理設(shè)置求解過程，能夠準確的獲得分析模型各個部位的應力、變形等結(jié)果。對零件的設(shè)計和優(yōu)化有很大的參考作用。正是因為上述優(yōu)點，我在本設(shè)計中運用PRO/E來建立C6140機床主軸的三維模型。再將此模型導入ANSYS軟件來對其經(jīng)行分析。關(guān)鍵詞 C6140；主軸；三維建模；ANSYS；動靜態(tài)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 錄摘 要IAbstractIII目 錄V前言1第一章 分析方法和研究對象31.1 ANSYS簡介31.1.1 ANSYS的主要應用領(lǐng)域31.2 研究對象51.2.1 C6140車床簡介71.2.2 C6140車床主軸箱101.2.3 C6140車床主軸13第二章 C6140機床主軸的模型建立152.1 主軸二維制圖152.2 主軸三維建模162.2.1 PROE軟件簡介162.2.2 PROE建立主軸模型方法19第三章 C6140機床主軸的受力特點233.1 主軸組件的布局233.2 主軸組件的受力243.3 C6140機床主軸簡化受力模型253.4 機床主軸的計算轉(zhuǎn)速和計算轉(zhuǎn)速下的受力參數(shù)263.5 C6140機床的計算轉(zhuǎn)速273.6 計算轉(zhuǎn)速下的受力參數(shù)計算28第四章 基于有限元軟件對主軸的分析294.1 基本概念294.3 有限元方法分析步驟314.4 有限元模型324.5 網(wǎng)格劃分324.6 C6140機床主軸有限元分析的前置處理334.6.1 約束和受力添加334.6.2 機床主軸有限元分析后置處理344.6.3 機床主軸的變形位移圖354.6.4 機床主軸的應力圖364.7 ANSYS中的模態(tài)分析374.8 C6140機床主軸的模態(tài)分析384.9 提高C6140機床主軸動態(tài)特性的措施42總 結(jié)43參考文獻45參考文獻前 言目前工程中以廣泛使用計算機輔助工程軟件（CAE），商業(yè)化的CAE軟件技術(shù)種類有很多，其中包括有限元法(FEM,即Finite Element Method),邊界元法(BEM,即Boundary Element Method)，有限差法(FDM,即Finite Difference Element Method)等。每一種方法各有其應用的領(lǐng)域，而其中有限元法應用的領(lǐng)域越來越廣，現(xiàn)已應用于結(jié)構(gòu)力學、結(jié)構(gòu)動力學、熱力學、流體力學、電路學、電磁學等。ANSYS有限元軟件包是一個多用途的有限元法計算機設(shè)計程序，可以用來求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。因此它可應用于以下工業(yè)領(lǐng)域： 航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機械、微機電系統(tǒng)、運動器械等。ANSYS軟件主要包括三個部分：前處理模塊，分析計算模塊和后處理模塊。前處理模塊提供了一個強大的實體建模及網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；分析計算模塊包括結(jié)構(gòu)分析（可進行線性分析、非線性分析和高度非線性分析）、流體動力學分析、電磁場分析、聲場分析、壓電分析以及多物理場的耦合分析，可模擬多種物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析及優(yōu)化分析能力；后處理模塊可將計算結(jié)果以彩色等值線顯示、梯度顯示、矢量顯示、粒子流跡顯示、立體切片顯示、透明及半透明顯示等圖形方式顯示出來，也可將計算結(jié)果以圖表、曲線形式顯示或輸出。軟件提供了100種以上的單元類型，用來模擬工程中的各種結(jié)構(gòu)和材料。該軟件有多種不同版本，可以運行在從個人機到大型機的多種計算機設(shè)備上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。正因為該軟件方便的操作性和計算結(jié)果的準確性，所以得到了很大的使用和推廣。特別是在機床的設(shè)計中，各大公司普遍才用ANSYS軟件來對機床的靜態(tài)：如應力、應變等，動態(tài)：如固有頻率、諧響應等，以及熱量傳遞等做分析。在本設(shè)計中我通過運用PRO/E來建立C6140機床主軸的三維模型。再通過通用數(shù)據(jù)傳輸格式（I-GES）將此模型導入ANSYS軟件，合理設(shè)置各個分析參數(shù)來對其經(jīng)行整體受力分析。最終得到了各項數(shù)據(jù)。第一章 分析方法和研究對象1.1 ANSYS簡介ANSYS由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)，它能與多數(shù)CAD軟件接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD等， 是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計中的高級CAE工具之一。1.1.1 ANSYS的主要應用領(lǐng)域ANSYS有限元軟件包是一個多用途的有限元法計算機設(shè)計程序，可以用來求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。因此它可應用于以下工業(yè)領(lǐng)域： 航空航天、汽車工業(yè)、生物醫(yī)學、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機械、微機電系統(tǒng)、運動器械等。1.1.2 ANSYS操作界面圖1-1 ANSYS操作界面ANSYS操作界面如上圖1-1所示，目前還沒有漢化版本，主要使用的是10.0版本。該軟件的操作界面比較復雜，特別是建模部分較為繁瑣。因此一般都是用三維軟件建模，再將模型導入ANSYS經(jīng)行網(wǎng)格劃分和分析計算。這樣能大大的提高工作效率。圖1-2 ANSYS可視化分析結(jié)果ANSYS的優(yōu)點就在于，可以對分析結(jié)果經(jīng)行可視化分析。如上圖1-2。零件的應力采用不同的顏色被表示出來，給設(shè)計人員更加直觀的影響。1.1.3 ANSYS主要分析步驟靜力分析的定義：靜力分析計算在固定不變的載荷作用下結(jié)構(gòu)的響應，即由于穩(wěn)態(tài)外載引起的系統(tǒng)或部件的位移、應力、應變。同時，結(jié)構(gòu)靜力分析還可以計算那些固有不變的慣性載荷以及那些可以近似為靜力作用的隨時間變化的載荷對結(jié)構(gòu)的影響。靜力分析中的載荷靜力分析用于計算有那些不包括慣性和阻尼效應的載荷作用于結(jié)構(gòu)或部件上引起的位移、應力、應變和力。固定不變的載荷和響應是一種假定：即假定載荷和結(jié)構(gòu)的響應隨時間的變化非常緩慢。靜力分析所施加的載荷包括：(1)外部施加的作用力和壓力；(2)穩(wěn)態(tài)的慣性力；(3)位移載荷；(4)溫度載荷。我們以靜力分析為例來介紹一下ANSYS。主要分析步驟：1、確定結(jié)構(gòu)的分析方案（線、面、體）：桁架、殼、實體等；注意線性單元和高次單元的使用；對稱性等簡化方法的運用；2、根據(jù)分析的類型確定單元類型、實常量等，特別是單元類型的某些選項，對于某些分析十分重要；3、設(shè)定材料模型；4、采用各種方法建立模型。在進行布爾運算時特別注意運算對以后分析的影響，尤其是在某些情況下有些網(wǎng)格較難生成，因此對于布爾運算要慎重考慮，為解決該問題應盡量采用幾何體素直接建模；5、將材料、實常量等參數(shù)賦給模型，在某些情況下可以同時指定方向點；6、按情況劃分網(wǎng)格：自由網(wǎng)格或自由網(wǎng)格，設(shè)置合適的網(wǎng)格密度等，尤其注意網(wǎng)格設(shè)置；7、在生成節(jié)點和單元后，根據(jù)實際情況定義接觸單元、自由度的耦合及約束方程等；8、施加力和約束等；9、求解：注意設(shè)置合適的求解選項；10、進入后處理菜單獲得計算結(jié)果等。ANSYS提供兩種后處理方式，即POST1和POST26。前者用于處理整個模型在某一載荷步(時間點)的結(jié)果。后者處理模型中特定點在所有載荷步(整個瞬態(tài)過程)的結(jié)果。結(jié)果均可用彩色云圖、矢量圖和列表來顯示；11、評價分析結(jié)果。1.2 研究對象本文將對常見的C6140型號機床（如圖1-3）的主軸經(jīng)行綜合分析C6140車床型號解釋床身上最大回轉(zhuǎn)直徑為400mm的臥式車床的型號為：C 61 40 類代號：車床類組、系代號：臥式車床 主參數(shù)：400mm圖1-3 C6140車床C1640型號的普通機床通用性較好，它適合用于加工各種軸類、套同類和盤類零件上的回轉(zhuǎn)表面。C1640車床有24個轉(zhuǎn)速，其中最高轉(zhuǎn)速為1400轉(zhuǎn)/分。車床結(jié)構(gòu)主軸箱：進給箱：作用是變換進給量，并把運動傳給溜板箱溜板箱：帶動刀架實現(xiàn)縱向、橫向進給，快速移動或車螺紋刀架：裝四組刀具，按需要手動轉(zhuǎn)位使用尾座：支持工件或安裝鉆頭等孔加工刀具床身：部件都安裝在床身上，以保持部件間相互位置精度。三箱內(nèi)裝有主軸實現(xiàn)主運動，主軸端部有三爪或四爪卡盤以夾持工件1.2.1 C6140車床簡介C6140普通車床主要組成部件有：主軸箱、交換齒輪箱、進給箱、溜板箱、刀架、尾架、光杠、絲杠、床身、床腳和冷卻裝置。主軸箱：又稱床頭箱，它的主要任務(wù)是將主電機傳來的旋轉(zhuǎn)運動經(jīng)過一系列的變速機構(gòu)使主軸得到所需的正反兩種轉(zhuǎn)向的不同轉(zhuǎn)速，同時主軸箱分出部分動力將運動傳給進給箱。主軸箱中等主軸是車床的關(guān)鍵零件。主軸在軸承上運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性直接影響工件的加工質(zhì)量，一旦主軸的旋轉(zhuǎn)精度降低，則機床的使用價值就會降低。圖1-4 C6140的傳動原理圖進給箱：又稱走刀箱，進給箱中裝有進給運動的變速機構(gòu)，調(diào)整其變速機構(gòu)，可得到所需的進給量或螺距，通過光杠或絲杠將運動傳至刀架以進行切削。絲杠與光杠：用以聯(lián)接進給箱與溜板箱，并把進給箱的運動和動力傳給溜板箱，使溜板箱獲得縱向直線運動。絲杠是專門用來車削各種螺紋而設(shè)置的，在進行工件的其他表面車削時，只用光杠，不用絲杠。同學們要結(jié)合溜板箱的內(nèi)容區(qū)分光杠與絲杠的區(qū)別。溜板箱：是車床進給運動的操縱箱，內(nèi)裝有將光杠和絲杠的旋轉(zhuǎn)運動變成刀架直線運動的機構(gòu)，通過光杠傳動實現(xiàn)刀架的縱向進給運動、橫向進給運動和快速移動，通過絲杠帶動刀架作縱向直線運動，以便車削螺紋。刀架：有兩層滑板(中、小滑板)、床鞍與刀架體共同組成。用于安裝車刀并帶動車刀作縱向、橫向或斜向運動。尾架：安裝在床身導軌上，并沿此導軌縱向移動，以調(diào)整其工作位置。尾架主要用來安裝后頂尖，以支撐較長工件，也可安裝鉆頭、鉸刀等進行孔加工。床身：是車床京都要求很高的帶有導軌(山形導軌和平導軌)的一個大型基礎(chǔ)部件。用于支撐和連接車床的各個部件，并保證各部件在工作時有準確的相對位置。冷卻裝置：冷卻裝置主要通過冷卻水泵將水箱中的切削液加壓后噴射到切削區(qū)域，降低切削溫度，沖走切屑，潤滑加工表面，以提高刀具使用壽命和工件的表面加工質(zhì)量。C6140車床的主要參數(shù)如下：床身上最大的工件回轉(zhuǎn)直徑 400mm 刀架上最大工件回轉(zhuǎn)直徑 210mm 最大的工件長度 750mm 1000mm 1500mm 2000mm 最大車削長度 650mm 900mm 1400mm 1900mm 主軸中心至床身平導軌距離 205mm 主軸內(nèi)控直徑 48mm 刀架最大行程：縱向650mm 900mm1400mm 1900mm 橫向320mm 小滑板140mm 主軸內(nèi)孔錐度 莫氏6號 主軸轉(zhuǎn)速：正轉(zhuǎn)24級 101400r/min 反轉(zhuǎn)12級 141500r/min 進給量：縱向64級 0.0286.33mm/r 橫向64級 f橫0.5f縱 刀架快速移動速度 4m/min 車削螺紋范圍：公制螺紋44種 T1192mm 英制螺紋20種 a224牙/in 模數(shù)螺紋39種 m0.2548mm 徑節(jié)螺紋37種 DP196牙/in 主電動機 7.5KW 1450r/min 刀架快速移動電動機 0.25KW 2800r/min 機床型號: C6140頂尖距離L: 750,1000,1500,2000中心高H: 205加工最大直徑|在床面以上: 400加工最大直徑|在橫刀架以上: 210加工最大直徑|在溜板以上: 刀具支持面至中心線高度M: 26刀架|最大行程|縱向: 刀架|最大行程|橫向: 320/260刀架|最大行程|小刀架: 140/130刀架|小刀架回轉(zhuǎn)角: 90尾座|最大橫向移動量: 尾座|套筒移動量: 150尾座|莫氏錐度號數(shù): 51.2.2 C6140車床主軸箱主軸箱固定在床身的左上部。主軸箱內(nèi)裝有主軸部件及主軸變速機構(gòu)。主軸前端可安裝卡盤。花盤等夾具，用以裝夾工件并帶動工件旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)主運動。主軸箱結(jié)構(gòu)：主軸箱設(shè)計圖由展開圖與剖面圖組成。C6140車床主軸箱展開圖1-4：（1)I軸組件： 皮帶輪的卸荷結(jié)構(gòu)；片式摩擦離合器M1的結(jié)構(gòu)、操縱、M1的過載保護作用及其調(diào)整；制動器（剎車）及其操縱。（2）主軸組件：主軸、軸承、傳動件、密封件。軸承的間隙調(diào)整。(3）其他軸。圖1-5 C6140車床主軸箱C6140主運動鏈是等比傳動的，公比1.26；主運動有24級等比轉(zhuǎn)速。傳動類型為分支傳動；低速分支不僅是主運動的變速組又是螺紋進給鏈的擴大組；低速分支有兩個精確傳動比：1/4、1/16將螺紋基本導程擴大4、16倍；螺紋鏈是內(nèi)聯(lián)系傳動鏈，主運動是外聯(lián)系傳動鏈，因而首先保證螺紋進給鏈的需求 主運動只能是簡單運動。不可能為復合運動。CA6140機動車削時，主運動是主軸的旋轉(zhuǎn)運動；車削螺紋時，成形運動是復合運動螺旋線運動，它分解為主軸的旋轉(zhuǎn)（主運動）和刀具的移動（進給運動）。 圖1-6 C6140主運動正轉(zhuǎn)路線圖1-7 C6140轉(zhuǎn)速分布圖1.2.3 C6140車床主軸CA6140車床主軸是一個