畢業(yè)設計（論文）-基于SolidWorks數(shù)控鏜銑床主軸箱的有限元分析及參數(shù)優(yōu)化

IV摘要數(shù)控鏜銑床精密加工的零件越來越多、精度要求越來越高，這對機床有了更高的要求。國內在大型數(shù)控鏜銑床這類設備的精度和轉速等跟國際領先水平還有一定差距，目前對大型機床研究較多的也只是那些普通的主軸，本文針對可沿軸向移動的雙主軸結構及性能進行了研究。確定了主軸的結構形式，并選擇了合適的支承方式。分析了主軸端部變形量跟鏜軸伸出長度的關系，在考慮軸承剛度的條件下對軸承的軸向位置以及主軸各段的長度進行了優(yōu)化，獲得了一種整個加工過程中相對較合適的軸承配置。進行誤差補償時將鏜主軸伸出一半距離時作為誤差零點，相當于將最大誤差減半，可以提高加工精度。在主軸結構基本確定后對主軸進行了模態(tài)分析和諧響應分析，確定了主軸在設計的工作條件下不會發(fā)生共振，同時為日后機床性能的提高或者同類機床設計提供參考，對振幅較大的部位可以相應做出些如增加阻尼的解決方案。本設計是基于Solidworks軟件來數(shù)控鏜銑床主軸進行分析。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果。設置正確的模型、劃分合適的網格，并合理設置求解過程，能夠準確的獲得分析模型各個部位的應力、變形等結果。對零件的設計和優(yōu)化有很大的參考作用。正是因為上述優(yōu)點，我在本設計中運用Solidworks來建立三維模型。再將此模型導入simulation軟件來對其進行分析。關鍵詞：數(shù)控鏜銑床主軸，三維建模，模型，動靜態(tài)分析，模態(tài)分析全套圖紙加V信153893706或扣3346389411AbstractNcboringandmillingmachineprecisionmachiningpartsmoreandmore,theprecisionrequirementsarehigherandhigher,thishashigherrequirementsformachinetools.DomesticinlargeCNCboringandmillingmachineprecisionandspeedofthiskindofequipmentwithinternationalleadinglevelthereisacertaingap,suchasthecurrentoflargemachinetoolsisthesimplespindle,moreresearchinthispapercanmovealongtheaxialdoublespindlestructureandperformancewerestudied.Thestructureofthespindleisdeterminedandtheappropriatesupportingmethodisselected.Analysisofthespindleenddeformationrelationshipwithoutboringaxislength,undertheconditionofconsideringthebearingstiffnessofbearingaxialpositionandspindleareoptimizedthelengthoftheparagraphs,obtainedarelativelysuitablebearinginthemanufacturingprocessofthewholeconfiguration.Whentheerrorcompensationiscarriedout,halfdistanceoftheboringspindleisusedastheerrorzero,whichisequivalenttohalvingthemaximumerror,whichcanimprovethemachiningaccuracy.Forthemainshaftaftertheconfirmationofthespindlestructurebasicmodalanalysisandharmonicresponseanalysis,determinedthespindlewillnotoccurundertheworkingconditionsofresonanceinthedesign,atthesametimefortheimprovementoftheperformanceofthemachineorsimilarmachinetooldesigninthefuturetoprovidethereferenceandtheamplitudeofthelargerpartscanbecompensatedtomakesomesolutionssuchasincreasingdamping.ThisdesignisbasedonSolidworkssoftwaretoanalyzethespindleofncboringandmillingmachine.Comparedwiththetraditionalcalculation,thecomputerfiniteelementanalysismethodcangettheresultmorequicklyandaccurately.Thecorrectmodelissetup,theappropriategridisdivided,andthesolvingprocessissetupreasonably.Thestressanddeformationofeachpartofthemodelcanbeobtainedaccurately.Ithasagreatreferenceforthedesignandoptimizationofparts.Becauseoftheseadvantages,IuseSolidworksinthisdesigntobuildathree-dimensionalmodel.Thenthemodelisimportedintosimulationsoftwaretoanalyzeit.Keywords:CNCboringandmillingmachinespindle,3dmodeling,model,dynamicstaticanalysis,modalanalysis.目錄摘要 IAbstract II目錄 III第1章緒論 11.1課題研究的背景及意義 11.2課題來源 21.2.1研究方法 21.2.2總體技術路線 21.2.3工藝規(guī)范及技術規(guī)范研究 31.3國內外技術現(xiàn)狀 31.3.1大型數(shù)控鑊銑床國內外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 31.3.2主軸系統(tǒng)的研究概況 51.4主軸支承結構優(yōu)化的重要性 7第2章solidworks及simulation介紹 92.1Solidworks軟件概述 92.2Simulation介紹 9第3章數(shù)控鏜銑床主軸3D設計 12第4章數(shù)控鏜銑床主軸的有限元分析 234.1有限元分析簡介 234.1.1有限元分析的概念 234.1.2有限元分析的意義 234.1.3有限元分析的基本步驟 234.2有限元分析過程與步驟 244.3主軸靜態(tài)應力有限元分析 25總結 30參考文獻 31致謝 32PAGE29第1章緒論1.1課題研究的背景及意義數(shù)控機床的質量等級、種類和生產能力可以反應該國家裝備制造技術水平和綜合國力，大型高精數(shù)控機床是先進制造技術的重要支撐，是進行自主創(chuàng)新的核心。高速中大型加工中心不僅是國內機床、船舶、航天、發(fā)電設備制造等領域的迫切需求，而且作為戰(zhàn)略裝備，直接關系到航空航天、導彈衛(wèi)星、新型武器等國防工業(yè)的現(xiàn)代化。裝備制造業(yè)的振興、國家安全和國民經濟發(fā)展都跟數(shù)控機床產業(yè)的振興有著密切關系，隨著高檔數(shù)控機床在制造業(yè)中需求增大，數(shù)控機床的應用范圍也在不斷擴大，并且不斷發(fā)展以更加適應高速高精、復合化生產加工的需要。隨著我國國民經濟與國防建設的高速發(fā)展，航空航天、船舶、汽車、發(fā)電設備制造等領域的重大型設備中有待精密加工的航空配件、船舶零件、發(fā)電機轉子，各類箱體越來越多、精度要求越來越高。而國內最大轉速4000rpm，定位精度簇0.02mm,重復精度簇0.01mm，旋轉工作臺承載)25噸，有多種附件頭可自動更換，并且能夠在加工時進行熱誤差補償?shù)雀呔仍O備還是空白。國外進口價格昂貴，供貨周期長，還受政治影響，這些都嚴重地制約著我國大型數(shù)控設備的發(fā)展?？朔嚓P技術難題，掌握關鍵技術，研發(fā)出具有國際先進水平的高精度大型數(shù)控鐘銑床，這對于打破有些國家在該領域的壟斷地位，提高我國高精度大型數(shù)控鐘銑床的生產能力，為我國大型高精度設備制造企業(yè)提供先進的制造設備和技術手段，從而提高我國裝備制造業(yè)技術實力，增強我國綜合國力是很重要的。TH6213系列鐘銑加工中心機床，是為適應國家的需求和市場需求而開發(fā)的多功能、高速、高效技術裝備。它的基本特征為精度高、表面質量好以及效率高，在發(fā)電設備制造、船舶、航天航空、冶金、軍工等行業(yè)中廣泛的應用，是當代先進制造技術的重要組成部分。可以預見其市場前景廣闊，由此也可見其在國民經濟發(fā)展中所起的重要作用及所處的重要地位，其為我國在數(shù)控精密加工中心發(fā)展上提供的潛在的價值更是不可估量的，這種數(shù)控精密加工中心的試制，可為我們今后開發(fā)高技術產品和精密機床加工設備，提供充分的制造經驗和技術積累。該產品試制成功后，為發(fā)電設備制造、船舶、航天航空、冶金、軍工等行業(yè)的發(fā)展開辟了國內選擇的新途徑，并為我國機床行業(yè)與世界同步發(fā)展，為國內機床出口創(chuàng)匯增加新的亮點。TH6213鐘銑加工中心機床最適于加工較大型復雜零件，可選配多種附件，進一步擴大機床的使用功能?？赏ㄟ^自動換刀進行鉆、鐘、銑、鉸、攻螺紋等工序而不需要重新裝夾工件，可加工零件上各種復雜曲面和圖形、各種臺階、各種復雜孔系等。加工零件具有高精、高效、高穩(wěn)定性的特點?？蓮V泛適用于汽車、航空航天、船舶制造、軍工、能源、電力設備、礦山機械、鍛壓設備和模具等行業(yè)中。是大、中型零件，如箱體類、板類、機架類的理想粗、精加工設備。尤其適合于風、電、煤等能源行業(yè)的大中型零件的加工。是能源加工行業(yè)不可缺少的理想關鍵設備。1.2課題來源在這樣一種背景下，青海一機數(shù)控機床有限責任公司提出與高校聯(lián)合開發(fā)一款TH6213數(shù)控鐘銑床來滿足國內需求，提高國家的制造水平。該產品符合2009年國家“高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備”科技重大專項中優(yōu)先支持的17類高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備中內容，與國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃的目標相符合。大型數(shù)控鐘銑床在鐘削的時候，由于加工的工件比較大，不能直接將工件安裝在床身上，必須在床身外另外增設工作臺來裝夾工件，這樣就只能將主軸伸出到工件的孔中進行加工。機床的主軸系統(tǒng)是機床的核心，其精度直接決定了機床的精度，而主軸要伸出機床外，更增大了該數(shù)控鐘銑床主軸系統(tǒng)的設計難度。為此，對此款機床的主軸系統(tǒng)的設計進行研究是非常有實用價值的。1.2.1研究方法在本課題的實施過程中，課題的組織與運行主要采用以下幾個方面的研究方法:1)目標牽引本課題以重大專項指南要求和市場需求為導向，以青海一機數(shù)控機床有限責任公司為主體，產、學、研、用密切結合，共同參與項目整體方案的制定和實施。2)系統(tǒng)研究本課題不是單臺機床的設計制造問題，而是涉及先進制造技術、高精、高速加工工藝、鐘、銑主軸單元、精密檢測設備、系統(tǒng)建模仿真等多領域重大技術的難題，因此課題的工作安排將充分體現(xiàn)系統(tǒng)工程的思想，主攻關鍵技術，注重示范作用。3)優(yōu)勢聯(lián)合針對課題的各個重大技術難題，發(fā)揮聯(lián)合單位各自的優(yōu)勢，制定合理可行的組織方式和技術路線，完成各自相應的研究任務。1.2.2總體技術路線首先對國內外同類高精、高速加工中心設計、制造技術現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢進行深入分析和研究，同時，充分注重高速加工技術與主機結構設計有機結合與協(xié)調，在此基礎上提出主機的具體實現(xiàn)的技術方案，首先找出與高精、高速加工中心相關的技術難題，在充分考慮項目責任單位和聯(lián)合申報單位工作基礎和技術能力的前提下，提出項目主要研究任務和研究內容，并采用建模仿真分析與實驗分析相結合的方法，對關鍵問題進行深入研究，掌握關鍵技術，最終開發(fā)出可以批量化生產的高速加工中心。高精、高速加工中心是集機、電、液、氣、控等多種系統(tǒng)于一體的復雜裝備，影響其高速、高效、高精的關鍵是結構的靜、動和抗熱剛度，以及高速主軸和高速進給系統(tǒng)的動態(tài)性能等因素，因此，圍繞重大專項提出的研究內容，以機床動態(tài)性能為主線，試驗與理論分析相結合，借助實驗分析與建模仿真結合的方法，采取“總體方案設計一整機建模分析一關鍵技術研究一動態(tài)性能檢測一薄弱環(huán)節(jié)識別一結構優(yōu)化設計一整機性能評估一樣機試制驗證”的研究思路，應用多場藕合有限元模態(tài)分析、多學科綜合優(yōu)化、多體動力學和多物理領域建模等理論與方法，進行整機結構動力學建模、仿真及優(yōu)化，解決高速加工中心結構靜動剛度、熱剛度和不同系統(tǒng)的動態(tài)優(yōu)化匹配問題，找出影響高速性能的關鍵薄弱環(huán)節(jié);建立高速主軸單元性能檢測的綜合實驗平臺，對高速主軸動態(tài)特性進行分析和優(yōu)化;研究一種用于高精、高速主軸的新型低溫油氣潤滑冷卻裝置，實現(xiàn)對主軸回轉精度的動態(tài)穩(wěn)定性控制;搭建高速進給系統(tǒng)動態(tài)特性檢測與控制實驗平臺，研究W軸進給系統(tǒng)的溫升對傳動剛度的影響，實時溫度控制;分析移動部件的加減速特性模型，減少運動部件慣量對進給系統(tǒng)的影響，設計出與高速運動相適應的輕量化移動部件。建立整機性能評價方法與指標體系，完善制造和裝配工藝制度，提高高精、高速加工中心的工作性能和可靠性，實現(xiàn)課題技術指標。1.2.3工藝規(guī)范及技術規(guī)范研究1)開展高速加工中心設計、制造工藝研究，形成工藝規(guī)范。收集國內外高速加工中心、超高速加工中心相關制造工藝規(guī)范、研究成果以及企業(yè)生產與檢驗能力和裝配、制造工藝等資料，對收集到的資料進行整理和分析。將加工中心關鍵部件和整機進行結構動態(tài)特性計算分析;基于ABAQUS有限元分析平臺建立整機的數(shù)字化分析模型，進行高速加工中心整機動態(tài)性能的分析等工作形成設計規(guī)范。2)開展高加工中心技術規(guī)范研究，形成企業(yè)標準。收集國內外高速加工中心、超高速加工中心的驗收與精度標準以及產品規(guī)格等資料，對收集到的資料進行整理和分析。依據(jù)現(xiàn)有測量儀器和生產設備以及本課題的研究成果和新增生產設備以及已有資料，并參考國內外相關標準，制定高速加工中心的精度和驗收條件等企業(yè)標準草案以及高速加工中心配套件企業(yè)標準草案。1.3國內外技術現(xiàn)狀1.3.1大型數(shù)控鑊銑床國內外發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢目前國內高檔大型鐘銑數(shù)控機床產品與發(fā)達國家著名企業(yè)相比仍存在一定差距，產品水平的差距主要體現(xiàn)在:主軸轉速，國際先進水平已發(fā)展到最高達3000-4000r/min，而國內主要徘徊在800-1SOOr/min?？焖龠M給方面，國際先進水平達20000-30000mm/min，而國內主要徘徊在6000-10000mm/minx精度，國外先進水平定位精度0.015/1000mm，重復定位精度0.003-0.007mm,國內產品水平，定位精度0.025/1000mm，重復定位精度0.01-0.O15mm?？煽啃?、精度的穩(wěn)定性、復合多功能、柔性化、智能化方面不如國外廠家，外觀質量也有明顯的差距。目前，國內外生產重型落地銑鐘床的企業(yè)比較多，競爭非常激烈。國內的代表企業(yè)有武重、齊二機床、沈陽(中捷)機床、濟二機床、北一機床、三一精機、昆明機床、大連機床等，國外的有意大利的PAMA,FPT，捷克的SKODA,TOS，西班牙的JUARISTI，口本的山崎馬扎克、MITSUBISHI等。表1-1國內部分落地鎖床的主軸性能近年來，重型落地銑鐘床主軸轉速越來越快，高性能和高生產率鐘床的主軸遇到了越來越多的挑戰(zhàn)，在高效率切削中，需要機床主軸具備高轉速和高效率的特點。在精加工時需要高轉速，以便使切削效率有限的小直徑刀具能達到足夠的切削速度。而粗加工時則需要較大的切削功率。因此，機床主軸研制的重點主要在于提高整體加工效率，使精加工和粗加工都能夠在理想條件下進行。表1-1中給出了國內部分落地鐘床的主軸性能進行比較。由表1-1可以發(fā)現(xiàn)，目前機床主軸轉速越來越高，而主機扭矩則相應有所下降。主軸同時具備高轉速和高效率的特點越來越明顯。國外PAMA和SKODA公司提供的產品在主軸轉速、最大切削扭矩、進給速度、加工精度等方面都要優(yōu)于國內的產品，尤其是高轉速(2500r/min以上)配大扭矩(10000N"m以上)方面，國內還沒有相關產品。根據(jù)相關的參考文獻，重型鐘銑床正朝著精密化、高速化、超大型化、環(huán)保化、復合化、智能化方向發(fā)展。精密化：二十一世紀以來，隨著國防工業(yè)和高技術民用工業(yè)的高速發(fā)展，精密機床的需求量也隨之上升，并且對數(shù)控機床的加工精度的要求不斷提高。當今普通精度的數(shù)控機床的加工精度就與六十年前精密機床的加工精度相當。在高新技術工業(yè)快速發(fā)展的時代，起著支撐作用的機床產品的精密化進程不可逆轉。中、小型機床超精密加工的精度已從微米級往亞微米級發(fā)展，部分特種加工機床的精度更高，可達到納米級。對于重型機床來說，加工的零件多為大型零件，但精度要求一點也不低，以汽車、航空航天工業(yè)領域內的產品為例，加工精度普遍要達到微米級(C0.002-0.004mm),甚至更高(<0.001mm)。高速化：一些零件的加工要求機床具有很高的轉速，例如航空航天工業(yè)中材質為欽鋁合金的大型薄壁零件，要求重型五軸聯(lián)動的鐘銑床的主軸轉速達到6000-40000r/min。為了實現(xiàn)高速加工，越來越多的重型落地鐘銑床采用了高速電主軸、直線電機、直線重載導軌、高速滾珠絲杠等新型部件，發(fā)揮了現(xiàn)代刀具優(yōu)良的性能，提高了加工效率。超大型化：隨著經濟的發(fā)展和科技的進步，人類探索自然的腳步邁得越來越遠。在探索海洋和太空等領域時，由于某些特殊的需求，所需的裝備的體積也越來越大，正因為如此，重型機床的規(guī)格也在不斷升級。例如，齊二為中信重工制造的TK6932型落地銑鐘床，重760T,桿直徑320mm，主軸箱行程8m,滑枕行程2m。環(huán)?；弘S著人們對環(huán)境保護越來越重視，對機床在環(huán)保方面提出了更高的要求。當今，在歐洲一些國家，機床產品的硬、干切削技術在快速的發(fā)展，避免和防止?jié)櫥屠鋮s的油液污染周圍的環(huán)境。復合化：在零件的單工序加工過程中，機床切削的時間只占整個生產加工過程的一半左右，而另一半的時間則被用于工件裝夾等輔助時間，所以使工序集中，減少裝夾次數(shù)，可以大大節(jié)約加工時間，提高生產效率。復合機床可以減少輔助時間，機床的復合化是現(xiàn)代機床發(fā)展的趨勢，尤其是重型機床，其加工的工件多為單件或小批量，一次裝夾內完成多道工序，其加工效率、經濟效益將顯得十分突出。目前，齊二機床生產的重型鐘銑車床，帶有回轉工作臺，能在一次裝夾內完成多道工序。智能化：得益于計算機技術的高速發(fā)展，機床產品變得更加智能。現(xiàn)如今，機床產品的遠程控制技術、遠程故障診斷技術以及機床數(shù)控系統(tǒng)的軟件補償技術都已經在許多機床產品上得以實現(xiàn)。包括重型落地銑鐘床在內的機床產品在未來必將越來越智能。1.3.2主軸系統(tǒng)的研究概況機床主軸系統(tǒng)是機床的最重要的組成部分之一，其工作特性直接影響加工質量和生產效率。隨著大型鐘床、鐘銑加工中心不斷向高速度、高精度、高剛度的方向發(fā)展，對主軸組件的精度要求、溫度控制、動靜態(tài)特性等要求也越來越高。機床主軸系統(tǒng)通常由主軸、傳動部件、軸承和一些緊固定位零件組成，其中主軸軸承是對主軸系統(tǒng)性能影響最大的。數(shù)控機床主軸系統(tǒng)的設計由原來的類比設計、經驗設計逐漸被現(xiàn)代的建立模型進行有限元仿真優(yōu)化設計所取代。由于主軸軸承在主軸系統(tǒng)中的重要性，在研究主軸系統(tǒng)時，也總離不開對主軸軸承的研究，機床主軸對滾動軸承的基本要求.1)轉速與溫升隨著科技水平以及加工要求的提高，切削速度越來越高，轉速變化范圍也越來越大，因此，在高速運轉的條件下對軸承穩(wěn)定性的要求也越來越高。機床主軸軸承的溫升是限制軸承轉速的重要因素。一般情況下，合理選擇軸承類型、配置方式、精度等級、預載荷(游隙)大小、潤滑劑及潤滑方式等特性，能在一定程度上提高滾動軸承的高速性能。2)壽命及承載能力一般情況下，主軸組件的壽命是指主軸能夠在規(guī)定的精度下使用的時間，因此，要求在主軸組件壽命期內軸承精度能夠有較好的保持性。對于重型機床或切削力較大的機床，首先應該考慮的是軸承的承載能力。(3)剛度和抗振性為保證工件的加工質量，主軸系統(tǒng)需要有一定的剛度，否則會產生比較大的復映誤差甚至顫振?？拐裥允侵傅挚故芷日駝雍妥约ふ駝拥哪芰?。主軸組件的抗振性取決于主軸和軸承的剛度和阻尼。采用預緊滾動軸承可以有效地提高主軸系統(tǒng)的剛度。(4)噪聲在高速磨床中，其整機噪聲的主要成分就是磨頭軸承的噪聲，應選用噪聲低的滾動軸承。由于主軸系統(tǒng)是保證加工精度的一個重要環(huán)節(jié)，國內外學著對其做了大量的研究。對于這些大型數(shù)控機床，通常情況下，主軸剛度滿足的條件下主軸的強度都是能滿足要求的，提高主軸部件的剛度特性對數(shù)控鐘銑床的精度有著很重要的作用。通過有限元分析軟件對主軸進行建模，可以分析出跟主軸剛度有關的信息，找出薄弱部分，根據(jù)這些可以有針對性的進行優(yōu)化。蘭州理工大學的數(shù)字制造技術與應用省部共建教育部重點實驗室在這方面就做了相關的研究。英屬哥倫比亞大學的OsamuMaeda,YuzhongCao,YusufAltintas關于主軸設計的專家系統(tǒng)，通過模糊理論對主軸的結構尺寸等設計進行一種交互的、自動的設計，通過調整軸承在主軸上的分布形式來自動的對主軸結構動態(tài)進行優(yōu)化。其中還利用了Timoshenko梁理論來預測主軸的頻率響應特性，利用SequentialQuadraticProgramming(SQP)方法對軸承的配置形式進行了優(yōu)化。TedricA.Harris和MichaelN.Kotzalas9]在研究主軸系統(tǒng)的剛度時發(fā)現(xiàn)，一方面由于軸承剛度計算的復雜性，另一方面無論是理論計算還是試驗都證明軸承的剛度是非線性的，這就使得主軸系統(tǒng)的分析非常復雜。于是他在對主軸系統(tǒng)進行靜力學分析的時候忽略了軸承的彈性，將其作為固定支承來研究并給出了理論解。2006年，YUZHONGCAO建立了機床主軸系統(tǒng)的通用結構模型，該模型可以通過指定切削條件、刀具幾何形狀等來分析預測主軸，從而不需要向傳統(tǒng)的那樣通過經驗進行嘗試性設計，再通過制造樣機來檢驗，然后不斷改進，大量節(jié)省了設計成本和時間。這是利用Timoshenko梁理論開發(fā)的主軸系統(tǒng)通用有限元模型，還包括角接觸球軸承的非線性有限元模型，可以預測在軸向載荷作用下剛度的變化，并通過試驗進行了驗證。該模型可以預測主軸系統(tǒng)的模態(tài)、頻率響應、主軸振動、軸承接觸力等評估主軸系統(tǒng)在高速切削下工作性能的基本參數(shù)。1995年，美國普渡大學的JayF.Tu通過一個彈性模型來進行主軸軸承轉動時所產生的應變場分析。這種分析具有很重要的實用意義，因為它與軸承預載荷、切削力、軸承運行條件等密切相關。另外，還研究了一種非侵入式的檢測方案，通過在主軸箱外貼高敏感性傳感器來間接檢測軸承部位的應變場，代替了傳統(tǒng)的在軸承座內安裝應變片的方案，驗證了所建模型的正確性。由于對主軸系統(tǒng)特性缺乏比較完整的理解，尤其是熱效應，嚴重制約了主軸系統(tǒng)在速度提高后的可靠性，對于高速主軸，有一個臭名昭著的問題就是由于發(fā)熱問題，主軸在毫無征兆的情況下發(fā)生嚴重的失效。BerndBossmanns和JayF.Tu在1999年提出了一種有限差分熱模型來描述主軸的能量分布，特別是表征熱傳遞和熱衰減，并在一種電主軸的機床上得到了驗證。在2001年，他們兩人又提出了定性的能量流模型和定量的熱源模型。2003年，Chi-WeiLin,JayF.Tu和JoeKamman提出了一種綜合熱一機械動態(tài)模型，研究了軸承預緊對軸承剛度的影響，整個主軸系統(tǒng)的動態(tài)特性，高速旋轉時的轉動效應等等。2007年，Chi-WeiLin和JayF.Tu}ls]基于一種綜合的有限元模型提出了一種開發(fā)設計流程圖來表示主軸的設計問題。在這個流程圖中有8個參數(shù)需要考慮，通過對這8個參數(shù)進行設計靈敏度分析，從而探討其對主軸系統(tǒng)的固有頻率的影響。2004年，臺灣大葉大學的Cheng-HsienWu,Yu-TaiKung對主軸軸承的油氣潤滑和預緊做了研究，他們利用口本學者田口玄一提出的田口方法研究了設計參數(shù)對潤滑效率的影響，也研究了怎樣獲得最佳的潤滑條件，另外還研究了預緊力對溫升和剛度的影響。2003年，韓國昌原大學的WonJeeChung,ChoonManLee和他們的團隊開發(fā)出了主軸單元的梁單元模型、算法和熱特性的主軸單元計算機分析軟件，開發(fā)的熱模型包括滾動軸承的熱生成模型和熱傳遞模型，主軸單元的溫度和熱變形的估計模型。羅馬尼亞的GD.Hagiu和M.D.Gafitanu}lg]在1996年對高速運轉的角接觸球軸承進行了研究，通過建立的動態(tài)模型，考慮了赫茲接觸中的薄膜壓縮效應和彈性變形，研究了高速角接觸球軸承的剛度和阻尼。在2012年，伊朗的A.Zahedi和M.R.Movahhe街為高速主軸系統(tǒng)建立了熱一機械組合模型來預測主軸系統(tǒng)的熱一機械行為。主軸箱和主軸被用六自由度的Timoshenko梁來仿真，軸承被仿真為有五個移動的兩節(jié)點元件，并且每個節(jié)點有一個熱載荷。主軸、主軸箱跟軸承之間的行為是通過熱變形、熱生成率和熱傳遞率來描述。1.4主軸支承結構優(yōu)化的重要性對于普通機床，有的學者對主軸軸承的配置方法進行了總結，分析了各種配置方式各有什么特點，適用于哪種情況。機床設計人員可以根據(jù)機床的使用情況，根據(jù)所設計機床目標性能的特點，合理地選擇軸承配置方式，從而使該機床在所需要的性能方面達到一個較好的狀態(tài)。對于鐘銑床，它是兩根主軸套在一起使用，外層是銑軸，里面是鐘軸，銑軸軸向位置固定，而鐘軸可以在銑軸中間沿軸向滑動，伸出銑軸進行鐘削。這種情況需要用軸承對銑軸進行支承，鐘軸部分靠銑軸與鐘軸的滑動配合面支承，尾部靠軸承支承。由于鐘軸要能在銑軸滑動，可以伸出銑軸鐘孔，因此鐘軸中間不能添加支承。大部分(近90%)主軸的支承方式都是兩支承，少數(shù)的某些機床由于結構設計上的原因，導致主軸箱長度較長，其主軸兩個支承之間的支承跨距L遠大于最佳跨距Lo，此時，應考慮增設中間支承來提高主軸部件的剛度和抗振性。由于制造工藝上的限制，要使箱體中三個主軸支承座孔中心完全同軸是不可能的。為了保證主軸部件的剛度和旋轉精度，通常只有兩個支承(其中一個為前支承)其主要作用，而另一個支承起輔助作用，輔助支承通常采用剛度和承載能力較小的軸承，其外圈與支承座孔的配合比主要支承松1-2級，保證有一定的間隙，以解決三孔不同軸的問題。對于鐘銑床這種復雜的主軸套主軸的結構，由于較細的鐘軸較長，要能在銑軸內滑動伸出，如果要采用兩支承結構，就意味著細的鐘軸來支撐起較粗的銑軸，而且鐘軸長度又很大，可以達到兩米多，故直接采用兩支承是不合適的。鐘銑床主軸通常采用的是三支承的軸承配置結構，前端銑軸部分采用兩支承，在前端獲取較高的剛度，后端鐘軸尾部增加一支承托住鐘軸，充當輔助支承，同時提供鐘軸軸向進給力。鐘軸前端利用銑軸內表面(通常是部分內表面)進行支承，單獨看鐘軸，是兩支承或是三支承。第2章solidworks及simulation介紹2.1Solidworks軟件概述SolidWorks為達索系統(tǒng)（DassaultSystemesS.A）下的子公司，專門負責研發(fā)與銷售機械設計軟件的視窗產品。達索公司是負責系統(tǒng)性的軟件供應，并為制造廠商提供具有Internet整合能力的支援服務。該集團提供涵蓋整個產品生命周期的系統(tǒng)，包括設計、工程、制造和產品數(shù)據(jù)管理等各個領域中的最佳軟件系統(tǒng)，著名的CATIAV5就出自該公司之手，目前達索的CAD產品市場占有率居世界前列。特點:Solidworks軟件功能強大，組件繁多。Solidworks功能強大、易學易用和技術創(chuàng)新是SolidWorks的三大特點，使得SolidWorks成為領先的、主流的三維CAD解決方案。SolidWorks能夠提供不同的設計方案、減少設計過程中的錯誤以及提高產品質量。SolidWorks不僅提供如此強大的功能，同時對每個工程師和設計者來說，操作簡單方便、易學易用。對于熟悉微軟的Windows系統(tǒng)的用戶，基本上就可以用SolidWorks來搞設計了。SolidWorks獨有的拖拽功能使用戶在比較短的時間內完成大型裝配設計。SolidWorks資源管理器是同Windows資源管理器一樣的CAD文件管理器，用它可以方便地管理CAD文件。使用SolidWorks，用戶能在比較短的時間內完成更多的工作，能夠更快地將高質量的產品投放市場。在目前市場上所見到的三維CAD解決方案中，SolidWorks是設計過程比較簡便而方便的軟件之一。美國著名咨詢公司Daratech所評論：“在基于Windows平臺的三維CAD軟件中，SolidWorks是最著名的品牌，是市場快速增長的領導者?！痹趶姶蟮脑O計功能和易學易用的操作（包括Windows風格的拖/放、點/擊、剪切/粘貼）協(xié)同下，使用SolidWorks，整個產品設計是可百分之百可編輯的，零件設計、裝配設計和工程圖之間的是全相關的。2.2Simulation介紹Simulation是SRAC（StructuralResearch&AnalysisCorporation）推出的一套強大的有限元分析軟件。SRAC位于美國加州的洛杉磯，從1982年成立至今，SRAC一直至力于有限元CAE技術的研究和發(fā)展。早期的有限元技術高高在上，只有一些國家的部門如宇航，軍事部門可以使用，而此后的一些有限元分析軟件也都存在界面不友好、難學難用的缺點，且要求的設備昂貴。雖然用的范圍大了一些，但也都是集中在大學和一些研究機構，只有少數(shù)專業(yè)人員才能有機會接觸，普通的工程師可望而不可及。然而自simulation出現(xiàn)后，有限元分析的大門終于向普通工程師敞開了，把高高在上的有限元技術平民化，它易學易用，簡潔直觀，能夠在普通的PC機上運行，不需要專業(yè)的有限元經驗。普通的工程師都可以進行工程分析，迅速得到分析結果，從而最大限度地縮短設計周期，降低測試成本，提高產品質量，加大利潤空間。做為世界上最快的有限元分析軟件，simulation采用FFE（FastfiniteElement）技術使得復雜耗時的工程分析時間大大縮短，有一位工程師打趣說"自從有了simulationFFE技術，我連喝咖啡的時間都沒有了"。傳統(tǒng)的方法在分析裝配體時是先把零件拆散，然后一個個分別處理，耗時耗力，又存在計算結果不精確的缺點。simulation提供了多場/多組件的復雜裝配分析，從而大大簡化工程師的勞動，使得分析能夠更好地模擬真實情況，結果也就更精確。simulation是完全整合在SOLIDWORKS中設計分析系統(tǒng)的，提供壓力、頻率、約束、熱量，和優(yōu)化分析。為設計工程師在SolidWorks的環(huán)境下，提供比較完整的分析手段。憑借先進的快速有限元技術(FFE),工程師能非常迅速地實現(xiàn)對大規(guī)模的復雜設計的分析和驗證，并且獲得修正和優(yōu)化設計所需的必要信息。分析的模型和結果和Soli-dWorks共享一個數(shù)據(jù)庫，這意味著設計與分析數(shù)據(jù)將沒有繁瑣的雙向轉換操作，分析也因而與計量單位無關。在幾何模型上，可以直接定義載荷和邊界條件，如同生成幾何特征，設計的數(shù)據(jù)庫也會相應地自動更新。計算結果也可以直觀地顯示在SolidWorks精確的設計模型上。這樣的環(huán)境操作簡單、節(jié)省時間，且硬盤空間資源要求很小。simulation能夠做哪些方面的分析，分別解決什么問題呢？其基本模塊能做線性應力、位移、頻率和室溫、熱分析，含裝配體分析，還可以選擇購買運動分析和流體分析模塊。靜應力分析零件會斷裂嗎？是超安全標準設計嗎？熱應力作用下會失效嗎？頻率分析確定零件或裝配的造型與其固有頻率的關系，會發(fā)生共振嗎？在需要共振效果的場合，如超聲波焊接喇叭，音叉，獲得最佳設計效果。失穩(wěn)分析在壓載荷作用下，薄壁結構件會發(fā)生失穩(wěn)嗎？在這些情況下一般不會達到材料失效（應力超過材料屈服極限）。熱分析零件會過熱嗎？熱量在整個裝配體中如何發(fā)散？用輻射、對流和傳導三種方式研究熱量在零件和裝配中的傳播。非線性分析用于分析橡膠類或者塑料類的零件或裝配體的行為，還用于分析金屬結構在達到屈服極限后的力學行為。也可以用于考慮大扭轉和大變形，如：突然失穩(wěn)。間隙/接觸分析在特定載荷下，兩個或者更多運動零件相互作用。例如：在傳動鏈或其他機械系統(tǒng)中接觸間隙未知的情況下分析應力和載荷傳遞。優(yōu)化在保持滿足其他性能判據(jù)（如應力失效）的前提下，自動定義最小體積設計。后動力分析零件或裝配體在動態(tài)激勵下的線性動力學分析，如地震激勵分析。疲勞分析預測疲勞對產品全生命周期的影響，確定可能發(fā)生疲勞破壞的區(qū)域，流體動力學計算（CFD）跟蹤導管內部或者螺旋槳等表面的氣體、液體流動狀況。例如：CPU內的空氣循環(huán)和冷卻，螺旋槳的升降。電磁分析研究導電原件的電磁相互作用，確定線圈和磁體感應產生的機械力。SRAC公司早在1985年她就開發(fā)出了世界上第一套應用于PC機的有限元分析程序，1995年成為SolidWorks的第一家合作伙伴，1997年成為SolidWorks的第一家黃金認證合作伙伴，2002年4月SRAC加入SolidWorks公司，從此simulation正式成為SolidWorks產品。simulation是SolidWorks?家族最熱銷的分析解決方案，尤其適合于那些有分析需求但是缺乏相關有限元專業(yè)知識的工程師們的需要。simulation集功能強大、計算精確和簡單好用三大特點為一身，能夠讓工程師們在一天之內開始設計分析，并且迅速得到分析結果。simulation能夠提供廣泛的分析工具去檢驗和分析復雜零件和裝配，它能夠進行應力分析、應變分析、變形分析、熱分析、設計優(yōu)化、線性和非線性分析。使用simulation，工程師可以最大限度地縮短設計周期，降低測試成本，提高產品質量，加大利潤空間。只有simulation含有精確應力分析模塊（AccuStress），這是精確應力計算中一個有著劃時代意義的工具,象征著一個過渡期的劃分網格新技術。在局部區(qū)域網格劃分更細密以提供更精確的應力計算結果進行產品設計優(yōu)化。由于受到本行業(yè)高速解決方案的推動，simulation能夠讓您只花上傳統(tǒng)FEA軟件價錢的一個零頭，就可以得到高端的simulation的功能，從結構分析、熱應力分析到含間隙的裝配分析和接觸摩擦分析，simulation無所不能。使用革新化的精確工具，simulation的計算結果相當準確足以優(yōu)化您的真實設計形狀，simulation可以進行虛擬試驗，在整個設計周期中進行優(yōu)化，把投入造型和分析的財力和時間降至最低水平。談到精確應力分析結果時，大量的基準試驗已經證明主流的分析軟件中沒有一個能與simulation相提并論。只有simulation含有精確應力分析模塊（AccuStress），這是精確應力計算中一個有著劃時代意義的工具,象征著一個過渡期的劃分網革新技術。在局部區(qū)域網格劃分更細密以提供更精確的應力計算結果進行產品設計優(yōu)化，植入SolidWorks的優(yōu)化和仿真功能使simulation幫助您無需頻繁地重新定義分析就可以更快更準確地修改設計。simulation提供給您功能強大而又快速、精確的設計分析工具，確保您的設計分析更加輕松。第3章數(shù)控鏜銑床主軸3D設計零件建模過程：首先打開solidwork軟件，選擇打開，選中文件打開。然后進行零件建模，具體步驟如下：1.旋轉11）選中，右鍵，選編輯草圖：2）退回上一步，重新選中，右鍵，選編輯特征：2.切除-拉伸11）選中，右鍵，選編輯草圖：2）退回上一步，重新選中，右鍵，選編輯特征：3切除-旋轉11）選中，右鍵，選編輯草圖：2）退回上一步，重新選中，右鍵，選編輯特征：4切除-旋轉21）選中，右鍵，選編輯草圖：2）退回上一步，重新選中，右鍵，選編輯特征：5.切除-拉伸21）選中，右鍵，選編輯草圖：2）退回上一步，重新選中，右鍵，選編輯特征：6.M16螺紋孔，選中右鍵，選編輯特征：7.圓周陣列，選中，右鍵，選編輯特征：8.M16螺紋孔2選中，右鍵，選編輯特征：9.鏡向1選中：右鍵，選編輯特征：10.基準面1右鍵，選編輯特征：11.切除拉伸31）選中，右鍵，選編輯草圖：2）退回上一步，重新選中，右鍵，選編輯特征：完成的建模：主軸零件圖第4章數(shù)控鏜銑床主軸的有限元分析4.1有限元分析簡介4.1.1有限元分析的概念有限元方法是用于求解工程中各類問題的數(shù)值方法。應力分析中穩(wěn)態(tài)的、瞬態(tài)的、線性的或非線性的問題以及熱傳導、流體流動和電磁學中的問題都可以用有限元方法進行分析解決。工程問題一般是物理情況的數(shù)學模型，包括邊界條件、特征參數(shù)和擾動參數(shù)?？赡艿那闆r下，由給定的條件可以得到系統(tǒng)的精確行為。在許多實際工程問題中，由于控制微風方程組的復雜性或邊界條件和初值條件的難以確定性，我們一般不能得到系統(tǒng)的精確解。為解決這個問題，我們需要借助于數(shù)值方法來近似。解析解表明了系統(tǒng)在任何點上的精確行為，而數(shù)值解只在稱為節(jié)點的離散點上近似于解析解。任何數(shù)值解法的第一步都是離散化。這一過程將系統(tǒng)分為一些子區(qū)域和節(jié)點。數(shù)值解法可以分為兩大類：有限差分法和有限元方法。有限差分法難以解決帶有復雜幾何條件和復雜邊界條件的問題。有限元方法使用公式方法而不是微分方法來建立系統(tǒng)的代數(shù)方程組，并假設代表每個元素的近似函數(shù)是連續(xù)的，通過結合各單獨的解產生系統(tǒng)的完全解。4.1.2有限元分析的意義驗證一個系統(tǒng)的優(yōu)劣，可以通過試驗檢驗。對于設計人員來說，設計對象的結果往往是非常復雜和多樣的，難以建立實際模型逐一驗證其性能。這時，可以運用有限元分析軟件，用有限元方法對其進行理論的計算，檢驗其是否滿足設計要求。有限元分析的優(yōu)點在于：解決試驗難以模擬的情況下的問題；節(jié)省試驗成本；縮短驗證時間，提高開發(fā)效率。4.1.3有限元分析的基本步驟預處理階段：（1）建立求解域并將之離散化成有限元，即將問題分解成節(jié)點和單元。（2）假設代表單元物理行為的形函數(shù)，即假設代表單元解的近似連續(xù)函數(shù)。（3）對單元建立方程。（4）將單元組合成總體的問題，構造總體剛度矩陣。（5）應用邊界條件、初值條件和負荷。解決階段：（6）求解線性或非線性的微分方程組，以得到節(jié)點的值。后處理階段：（7）得到其他重要的信息。4.2有限元分析過程與步驟（1）創(chuàng)建算例我們要分析的是轉子動力學的內容，因為Simulation作為SolidWorks的一款插件，在創(chuàng)建前需載入Simulation插件才能使用，在類型中選擇“頻率”，如圖4.7，圖4.7Simulation新建算例界面（2）材料定義在Simulation中，軟件提供了許多常用材料供用戶使用，操作者可以直接使用SolidWorks中的材料，在本例中所有零件的材料出箱體為鑄造碳鋼外，全部定義為“普通碳鋼”，材料屬性窗口見圖4.8，（3）轉子軸連接和支撐定義本算例分析的是轉子和軸鍵連接機構，為了保證運算精度，必須考慮到鍵的連接機制，對于軸的支撐使用到的是軸承，在機械設計手冊中介紹，軸承的支撐屬于剛性支撐，而在Simulation中，關于軸承的支撐定義為柔性支撐（見圖4.9），使用者可根據(jù)精度要求全面的計算出來。其中徑向載荷為79.42N.m,軸向載荷為218.24N.m。（4）外部載荷的定義本算例中根據(jù)根據(jù)轉子軸的實際運動情況，定義了一下三個外部載荷。第一個載荷是轉子所受的引力，對于引力的定義比較簡單，選中轉子模型，添加引力即可，引力值為默認值9.81m/s。第二個載荷為離心力，由于轉子軸做的是旋轉運動，所以會產生離心力的作用，由上文可知電機的轉速為1460r/min，即24.3r/min，同時確定軸的旋轉方向即離心力的方向。第三個載荷為為轉子在軸兩端的支撐載荷，默認100N/m。（5）求解及結果分析在設定好預定的載荷和約束之后，即可對模型進行求解，求解前要定義求解器的頻率數(shù)，最終生成動力學圖解。（見圖4.9）圖4.8材料屬性窗口4.3主軸靜態(tài)應力有限元分析創(chuàng)建算例打開“總裝”文件，選擇Simulation創(chuàng)建“新算例”，右擊“算例1”，類型選“靜應力分析”，選擇重命名，輸入“應力”(見圖6.1)。圖6.1創(chuàng)建新算例指定材料屬性在Simulation中，軟件提供了許多常用材料供用戶使用，操作者可以直接使用SolidWorks中的材料，在本例中所有零件的材料出箱體為鑄造