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畢業(yè)設計(論文)中期報告 題目：光學磨床主軸設計及三維建模 系 別 機電信息系 專 業(yè) 班 級 姓 名 學 號 導 師 4 1. 設計（論文）進展狀況 自開題答辯以來，經(jīng)過對本畢業(yè)課題的深入了解和學習，查閱相關(guān)資料和擬定畢業(yè)設計工作計劃，基本上對本課題的完成有了更加深入的了解。在導師的指導下，對本課題需要完成的工作有了明確的目標。通過假期收集大量的有關(guān)磨床主軸系統(tǒng)的資料，同時借閱相關(guān)參考書通過學習其結(jié)構(gòu)和用途，對水射流設計有了更加深入的了解。完成了外文的翻譯工作，使用CAD、solidwoks完成了對磨床主軸系統(tǒng)的繪制。對畢業(yè)設計的進展打好了基礎(chǔ)。通過學習，知道了對磨床主軸設計的注意的事項，知道了如何對機械零件的參數(shù)化設計和數(shù)據(jù)庫的建立。 把磨頭的安裝方式改為通過花鍵和主軸聯(lián)接，具有受力均勻、承受載荷較大、對中性好、導向性好、聯(lián)接質(zhì)量高等優(yōu)點，避免了錐面、半圓鍵聯(lián)接主軸高速旋轉(zhuǎn)時的周期性激振，同時和主軸的對端帶輪安裝的方式一致。 為進一步提高主軸回轉(zhuǎn)精度，采用液體靜壓軸承對主軸實現(xiàn)支承，具有回轉(zhuǎn)精度高、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)和抗振l生好等優(yōu)點，故主軸支承選用液體靜壓軸承。 對主軸進行重新設計，其空心部分的設計中引入了仿生空心 結(jié)構(gòu)設計理論。使空心軸的壁厚約為其外徑的217，所以主軸的抗扭、抗弩陛能較好.PM500平面磨床主軸簡圖，如圖l所示。其主要長度尺寸如 圖l所示?？紤]到軸為空心結(jié)構(gòu)，且主軸轉(zhuǎn)速較高，載荷較大，剛度要求較高，同時考慮經(jīng)濟因素，取主軸的材料為40Cr，彈性模量E=2．1xlOgPa，材料密度DENS=7．82x10 kg／mmL泊松比NUXY=0_3，主軸的熱處理方法選擇調(diào)質(zhì)處理。 圖1 2. 存在問題及解決措施 存在問題：磨頭升降系統(tǒng)了解不夠，主軸材料相關(guān)知識需要補充 解決措施：鑒于在畢業(yè)設計中遇到的問題，我打算按照以下方式來解決 1進一步認識磨頭升降機構(gòu)原理。 2加強跟指導老師的聯(lián)系以及和相關(guān)課題同學的交流學習，讓指導老師指出設計過程中存在的問題和注意的事項。 3參照書籍的相關(guān)資料，對于不懂得的問題及時向老師請教或者借助網(wǎng)絡查詢學習。 3. 后期工作安排 1.設計出磨頭裝配圖 2設計計算，完成主軸系統(tǒng)相關(guān)計算。 3為磨床主軸系統(tǒng)部分零部件進行三維建模。 6.撰寫說明書，完成畢業(yè)設計的其余部分。 7.完成論文的錄入排版，準備答辯。 8.畢業(yè)答辯，裝訂論文。 指導教師簽字： 年 月 日 本頁單獨成頁 5 指導教師意見（對課題的深度、廣度及工作量的意見） 指導教師： 年 月 日 6 所在系審查意見： 系主管領(lǐng)導： 年 月 日 注：1. 正文：宋體小四號字，行距22磅。 2. 開題報告由各系集中歸檔保存。 XXXX 大學 本科畢業(yè)設計( 論文) 題目：光學磨床主軸設計及三維建模 系 別： 機電信息系 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 班 級： 1230203 學 生： XXXX 學 號： 123020303 指導教師： XXXX 年 06 月 畢業(yè)設計（論文）任務書 系別 機電信息系 專業(yè) 機械設計制造及其自動化 班級 1230203 姓名 XXXX 學號 1.畢業(yè)設計(論文)題目： 光學磨床主軸設計及三維建模 2.題目背景和意義：光學磨床是光學玻璃精加工的主要設備，國產(chǎn)光學磨床普遍存在精度 低、自動化程度低、工作環(huán)境差等缺點，平面磨床主軸部件是保證光學零件精度的關(guān)鍵部 件，實現(xiàn)光學磨床主軸部件設計，并利用三維軟件實現(xiàn)建模，對關(guān)鍵部件進行分析，提高 設計精度，對提高我國光學玻璃的制造水平有一定的現(xiàn)實意義，具有較高的經(jīng)濟效益和社 會效益。 3.設計(論文) 的主要內(nèi)容及技術(shù)指標： (1) 了解光學磨床的的工作原理和主軸精度要求，提出主軸設計方案； (2) 主軸主要部件設計計算及校核； (3) 主軸主要部件設計三維建模； (4) 關(guān)鍵部件的分析； 4 設計的基本要求及進度安排： (1) 學習、熟練應用計算機繪圖工具。 (2) 1-3 周，課題調(diào)研，開題準備，提交開題報告。 (3) 4-10 周，完成中期工作，提交中期報告。 (4) 11-18 周，完成全部設計工作，進行論文撰寫，提交畢業(yè)論文和必要的圖紙，準備答辯。 指導教師簽名： 年 月 日 學生簽名： 年 月 日 系主任審批： 年 月 日 說明：1 本表一式二份，一份由學生裝訂入冊，一份教師自留。 2 帶*項可根據(jù)學科特點選填。 I 光學磨床主軸設計及三維建模 摘 要 現(xiàn)代機床的發(fā)展日益趨向高效率和高精度，這對機床的設計提出了更高的 要求，需要采用更先進和合理的設計方法來完成機床設計優(yōu)化。對于磨床而言， 主軸組件是磨床極為重要的組成部分，其性能的好壞對磨床的性能有著重要的 影響。本文具體研究分析了磨床發(fā)展的現(xiàn)狀，磨床主軸組件的發(fā)展狀況和發(fā)展 趨勢；在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合當前的技術(shù)發(fā)展趨勢，對主軸組件 進行了受力分析計算，同時對該類立軸圓臺平面磨削的磨削力進行了分析。利 用軸承靜剛度的有效經(jīng)驗計算公式，結(jié)合該磨床的實際情況對軸承的剛度狀況 進行了分析。 關(guān)鍵詞：光學磨床；主軸設計；三維建模；Solid Edge II Optical design and three-dimensional modeling ogrinding spindle Abstract The 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 錄 1 緒 論 ....................................................................................................1 1.1 課題研究的背景和意義 ......................................................................................1 1.2 磨削精度和表面質(zhì)量 ..........................................................................................2 1.3 國內(nèi)外平磨設備的發(fā)展 ......................................................................................2 1.4 PM500 平面磨床的工作原理 ..............................................................................3 1.5PM5OO 傳動系統(tǒng) .................................................................................................4 1.6 磨頭機構(gòu)及其主軸組件的研究現(xiàn)狀 ..................................................................4 2 主軸組件的受力與支承軸承剛度 ......................................................6 2.1 主軸組件的受力分析 ..........................................................................................6 2.1.1 動力及工況簡介 ............................................................................................6 2.1.2 帶傳動產(chǎn)生的軸壓力 ....................................................................................6 2.2 主軸支承軸承的剛度分析 ..................................................................................7 2.2.1 軸承剛度計算理論 ........................................................................................7 2.2.2 軸承預緊 ........................................................................................................8 2.3 主軸支承軸承的剛度計算 .............................................................................10 2.3.1 下支承剛度 ..................................................................................................10 2.3.2 中支承剛度 ..................................................................................................10 2.3.3 上支承剛度 ..................................................................................................11 2.3.4 推力球軸承 ..................................................................................................11 3 主軸部分的設計 ................................................................................12 3.1 主軸設計的主要內(nèi)容 ........................................................................................12 3.2 軸材料的選擇 ....................................................................................................12 3.3 主軸結(jié)構(gòu)分析 ....................................................................................................13 3.4 主軸結(jié)構(gòu)的改進 ................................................................................................13 3.5 主軸的結(jié)構(gòu)設計 ................................................................................................13 4 SOLID EDGE 三維建模 ..................................................................16 4.1 三維設計軟件的簡介 ........................................................................................16 4.2 特征建模技術(shù)的特點 ........................................................................................16 4.3 SOLID EDGE 建模的操作方法 ............................................................................17 4.3.1 簡單三維實體建模技術(shù) .............................................................................18 4.3.2 復雜三維實體建模技術(shù) .............................................................................18 4.4 主軸系統(tǒng)部分零部件建模 ................................................................................19 5.磨床主軸的模型裝配 ...........................................................................23 6 結(jié)論 .......................................................................................................25 致 謝 ......................................................................................................27 畢業(yè)設計（論文）知識產(chǎn)權(quán)聲明 ..........................................................28 畢業(yè)設計（論文）獨創(chuàng)性聲明 ..............................................................29 主要符號表HRC 硬度m 微米 T 絲桿所受扭距inr 轉(zhuǎn)/分鐘p 許用擠壓應力2/N 抗拉壓強度P 許用壓強 ( )Mpa.mrad 扭轉(zhuǎn)剛度H 鍵與輪轂的接觸高度I 絲桿危險截面慣性距p 擠壓應力P 壓強d 軸的直徑E 絲桿材料的抗壓彈性模 量tW 絲桿螺紋抗扭截面系數(shù) 1 緒論 1 1 緒 論 11 課題研究的背景和意義 制造業(yè)，尤其是裝備制造業(yè)的整體能力和水平將決定各國的經(jīng)濟實力、國 防實力、綜合國力和在全球經(jīng)濟中的競爭能力。20世紀以來 ,世界各國對制造業(yè) 都極其重視。為此美國重新提出了“制造業(yè)仍是美國的經(jīng)濟基礎(chǔ) ”,要“促進先 進制造技術(shù)的發(fā)展”。為了預測未來制造業(yè)的發(fā)展，1997 年美國制定了“下一 代制造計劃”,提出了人、技術(shù)、與管理為未來制造業(yè)成功的三要素及關(guān)鍵技術(shù)。 接著又提出了“展望2020年制造業(yè)的挑戰(zhàn)” 制造業(yè)是國家財富的主要創(chuàng)造者，而裝備制造業(yè)作為整個國家工業(yè)部門的 裝備提供者，其水平的高低決定了我國制造業(yè)的國際競爭力，特別是我國加入 到WTO以后，行業(yè)競爭更加激烈，系關(guān)我們國家現(xiàn)代化的進程和民族的復興，因 此提高我國裝備制造業(yè)的整體技術(shù)水平具有重大的理論和現(xiàn)實意義。 機床是機械加工行業(yè)中最基本的勞動工具，在工廠中每時每刻都在使用， 是制造業(yè)和機械零件加工行業(yè)中最根本的工作手段，也是應用最廣泛的加工工 具。而磨床是車，銑、刨、磨各類機床中最基本的最普遍的施行精加工的機床， 絕大部分機器零件最終加工的精度和質(zhì)量，都取決于磨床的精度水平。因此， 在制造業(yè)中，磨床的總體技術(shù)水平和擁有數(shù)量對于各類零部件的加工質(zhì)量和加 工效率是十分重要的。 由于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防與科學技術(shù)的發(fā)展，對機械設備提出了越來越高的 要求，同時現(xiàn)代產(chǎn)品的更新速度比較快。為了提高產(chǎn)品的市場競爭力，就要縮 短產(chǎn)品生產(chǎn)設計周期，提高產(chǎn)品設計的水平。為了實現(xiàn)這個要求，要求產(chǎn)品設 計人員在產(chǎn)品物理樣機設計完成后，在產(chǎn)品的物理樣機制造出來之前，能夠?qū)?產(chǎn)品的各項性能進行評價，了解和掌握產(chǎn)品的靜態(tài)和動態(tài)性能，從而可以在產(chǎn) 品投產(chǎn)之前對設計進行修改和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高設計的成功率和產(chǎn)品質(zhì)量。對于 設備改造而言，也要有同樣的步驟：首先，確定改造的目標；進而分析原設備 的性能參數(shù)；然后根據(jù)分析結(jié)果對原設計進行取舍和相應的改造并加以分析優(yōu) 化以實現(xiàn)改造目標。 長期以來，國內(nèi)的機床設計多為經(jīng)驗模擬設計，結(jié)構(gòu)設計計算沿用傳統(tǒng)的 計算方法，如材料力學、結(jié)構(gòu)力學以及彈性力學的一些公式進行計算。這些公 式的推導多以強度方面的理論為主，輔以實驗和測試方法得出，具有一定的可 靠性。但由于機床結(jié)構(gòu)的復雜，計算過程中的數(shù)學模型對結(jié)構(gòu)進行了許多簡化， 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計(論文) 2 導致了計算的精度差異較大。同時憑借簡單的計算工具，計算繁冗，時間 很長，有些項目無法準確計算。因此，利用傳統(tǒng)的模擬設計方法進行機床設計 雖然可以對機床或某些組成的零部件進行綜合或者部分的技術(shù)性能實驗，但是 受實驗手段和方法的限制，還不能夠進行全面深入的研究，從而根本上也談不 上優(yōu)化設計以及動態(tài)設計，多為“設計一制造一修改設計一制造 ”周期循環(huán)， 有些甚至經(jīng)過幾代制造才可能形成比較好的產(chǎn)品，費時費力，效率低下。 1.2 磨削精度和表面質(zhì)量 許多零件加工磨削是最終加工工序，因此直接決定工件的質(zhì)量。影響表面 粗糙度的主要因素是磨削用量、磨具特性、砂輪表面狀態(tài)、切削液、工件材質(zhì) 和機床條件等。由于磨削熱和塑性變形等原因，磨削表面會產(chǎn)生殘余應力。殘 余壓應力可提高工件的疲勞強度和壽命；殘余拉應力則會降低疲勞強度，當殘 余拉應力超過材料的強度極限時，就會出現(xiàn)磨削裂紋。磨削過程中因塑性變形 而發(fā)生的金屬強化作用，使表面金屬顯微硬度明顯增加，但也會因磨削熱的影 響，使強化了的金屬發(fā)生弱化。在平面磨削時，工件速度硬為 1020m/min。而 常規(guī)外圓磨削，該速度應為 1520m/min，對于尺寸較小的工件，該速度應相應 減小，一般為 510m/min。工件移動速度的變化是砂輪磨削性能也隨之改變。 增加工件移動的速度像使砂輪變軟，而減慢工件移動的速度，像使砂輪變硬。 1.3 國內(nèi)外平磨設備的發(fā)展 平面磨床是磨床類機床中發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮臋C床，在完成傳統(tǒng)的平面磨削功 能外，以平磨的床身、拖板、臺面、磨頭等大件為基礎(chǔ)，可以演變成外圓、曲 線、工具、無心等磨床。由于我國的平面磨床大多為六十年代制造，性能相對 都比較差，近幾十年以來，先后采用新技術(shù)對一些磨床進行了改造，提高了精 度和性能。改造過程中主要采用滑動軸承尤其是靜壓技術(shù)對其進行了改進。 近幾年來，精度作為平面磨床的一項重要的考核指標而越來越受到各國專 家的重視，而主軸部件作為磨床的主要組成部件，亦是影響平面磨床精度的關(guān) 鍵技術(shù)之一。我國把高速主軸單元制造技術(shù)研究作為“十五” 目標及主要研究內(nèi) 容之一：著力進行主軸材料、結(jié)構(gòu)、軸承的研究與開發(fā)；主軸系統(tǒng)動態(tài)特性及 熱態(tài)性研究；柔性主軸及其軸承的彈性支承技術(shù)研究；主軸系統(tǒng)的潤滑與冷卻 技術(shù)研究；主軸的多目標優(yōu)化設計技術(shù)、虛擬設計技術(shù)研究；主軸換刀技術(shù)研 究。 目前，國際上平面磨床工作臺往復速度最高可達 200m/min，工作臺的加速 度 50m/s2。當然，這都是采用直線電機后才達到了這個水平。確實，新功能部 件的使用對提高機床主機的性能起了非常大的作用。 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計(論文) 3 對于難加工材料和硬質(zhì)材料具有很大的潛力的磨削方法高速行程磨削，也 稱為快速短行程磨削，這種方法是以高的工作臺速度和高的加速度進行磨削加 工。傳動方式由原來的直流電機齒帶或滾珠絲杠傳動變?yōu)椴捎弥本€電機驅(qū)動， 其運動速度更快，效率更高，應用范圍更廣。 近幾年，歐洲高速行程磨削得到較快的進步，實現(xiàn)了 2 個目標減少加 工費用 40%和減少磨削時間 50%。從磨削機理看，高速行程磨削不是一種全新 的加工方式，而是平面磨削的變型或是平面磨削的延伸?？傊咚傩谐棠ハ?技術(shù)是一種新的有效的平面磨削方法。 磨削加工中心的小型化、實用化和復合化，磨削加工中心的發(fā)展已有多年 的，隨著磨削加工技術(shù)和計算機技術(shù)的不斷進步，磨削加工中心的制造水平不 斷提高。磨削加工中心是一種柔性的磨削加工系統(tǒng)，它的技術(shù)基礎(chǔ)是機電一體 化和計算機技術(shù)。磨削加工中心一般可分為加工中心延長型和常規(guī)磨床延長型 二種。 國外機床制造企業(yè)都有強大的自主創(chuàng)新能力，在每屆重要的機床展覽會上 都能發(fā)現(xiàn)新的亮點。例如在 2005 年的歐洲機床展覽會上，MAEGERLE 公司展 出了一臺最新的 MFP 數(shù)控磨床，該機在世界上首次采用最新的驅(qū)動技術(shù)和西門 子最新一代的 SINUMERIK 在線控制的數(shù)控裝置。其最大的優(yōu)點是：最大的阻 尼特性和進給力，加上在絲杠軸和螺母之間無磨損的運行。此外，與直線驅(qū)動 相比，能量消耗要低 10 倍以上，不會產(chǎn)生任何熱量精度作為平面磨床的一項重 要的考核指標而越來越受到各國專家的重視，因此平面磨床加工精度有了新的 突破。微米以下進給機構(gòu)是超精密平面磨床的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，很多平面 磨床己實現(xiàn)了最小進給量 01m，各國制造廠為實現(xiàn)這種微小進給一般都采 用精密數(shù)控系統(tǒng)，最大限度地縮短進給傳動鏈等措施來滿足機床這一要求。 1.4 PM500 平面磨床的工作原理 現(xiàn)代平面磨床的種類很多，有立軸圓臺式平面磨床、立軸矩形式平面磨床、 臥軸圓臺式平面磨床、臥軸圓臺式平面磨床。 PM500 為立軸圓臺式平面磨床， 利用砂輪的端面進行磨削加工。磨頭在作旋轉(zhuǎn)運動的同時，作垂直方向的升降 運動。下降運動依靠磨頭自身的重力實現(xiàn)，而上升運動依靠絲杠的帶動實現(xiàn)， 工作臺帶動工件作旋轉(zhuǎn)運動，從而進行對工件的磨削加工。 平面磨床是光學玻璃精加工的主要設備，國產(chǎn)光學磨床普遍存在精度底， 自動化程度底，工作環(huán)境差等缺點，平面磨床工作臺是保證光學零件精度的關(guān) 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計(論文) 4 鍵部件，實現(xiàn) PM500 平面磨床工作臺設計，提高設計精度，對提高我國光學玻 璃的制造水平有一定的現(xiàn)實意義，具有提高經(jīng)濟效益和社會效益的重要意義。 1.5PM5OO 傳動系統(tǒng) 圖 1.1 傳動系統(tǒng)示意圖 磨床傳動系統(tǒng)如圖 1.1 所示，它的驅(qū)動源是三相異步電動機。電動機是安 置于主軸箱內(nèi)，主要負責主軸系統(tǒng)的上下移動，由一級帶輪的一個分支通過以 上的傳動系統(tǒng)驅(qū)動磨床工作臺。 1.6 磨頭機構(gòu)及其主軸組件的研究現(xiàn)狀 磨頭機構(gòu)是磨床的核心機構(gòu)，它的性能好壞直接決定著磨床的加工質(zhì)量和 精度，而其中最核心的即主軸組件，主軸組件的性能主要有如下幾個方面：受 力變形、固有頻率、頻率響應、臨界轉(zhuǎn)速等。 國內(nèi)外許多學者針對主軸組件做了很多研究。早在1964年，Bollinger將軸 承模擬為一個簡單的徑向彈簧和阻尼器，采用有限差分模型分析了車床主軸的 特性。Taha使用理論和實驗相結(jié)合的方法，研究了滾動軸承徑向靜態(tài)剛度。 1985年，Neddy和Sharo應用有限元模型研究車床主軸的動態(tài)特性及其設計。 1988年，Sadeghipo將動柔度分析引入對主軸系統(tǒng)的動力特牲和動態(tài)設計的研究 之中。1997年，美國普渡大學的BertRJorgensen和YtmgCShintlul推出 了一個包括熱變形的軸承載荷變形模型，并與離散的主軸動態(tài)模型結(jié)合在一起， 這一模型可以得到主軸固有頻率、軸承剛度和熱變形的較好的計算值。同年 Tsutsumi等人研究了滾動軸承的動態(tài)性能對主軸振動特性的影響，YhlandLlu建 立了僅受球軸承幾何缺陷激勵的無阻尼主軸軸承系統(tǒng)的線性分析模型，該 模型在主軸的中、低速有效。 我國的學者也在該領(lǐng)域進行了研究，采用的方法有理論分析計算、動態(tài)試 驗以及二者相結(jié)合等。何邦貴等糾對主軸系統(tǒng)動力特性研究是以某車床主軸為 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計(論文) 5 研究對象，應用有限元析法和實驗方法，根據(jù)動柔度實驗數(shù)據(jù)辨識出主軸系統(tǒng) 的模態(tài)參數(shù)，建立主軸和支撐系統(tǒng)的動力學模型。采用計算機仿真技術(shù)，研究 軸承等效徑向(軸向)剛度與阻尼參數(shù)、軸承預緊力、跨距、附加集中質(zhì)量和阻 尼等設計參數(shù)對主軸系統(tǒng)動力特性的影響規(guī)律。1992年，江蘇工學院的付華應 用試驗模態(tài)分析與有限元計算相結(jié)合的方法，對傳統(tǒng)主軸部件進行了動力特性 分析，并對主軸進行了動力修改。1994年，大連理工大學的肖曙紅I州用有限元 結(jié)合迭代的分析方法，編制了主軸組件靜動特性分析軟件SAAS。1999年，北京 工業(yè)大學的費仁元等叫采用實驗方法對復雜的主軸部件進行了動態(tài)特性分析。 2000年，沈陽工業(yè)學院的史安娜等對主軸部件建立了空間梁單元模型，并在此 基礎(chǔ)上對其靜動態(tài)特性進行了分析。同年，北京理工大學的劉素華利用有限元 分析軟件ALGOR FEAS對電主軸的動靜態(tài)特性進行了分析。2001年，楊曼云等利 用MSCNastran軟件對TH6350臥式加工中心的主軸系統(tǒng)進行了靜、動態(tài)特性分 析。武漢理工大學的楊光等利用傳遞矩陣法對電主軸系統(tǒng)進行了動力學特性分 析。2003年，無錫機床股份有限公司的蔡英等M叫基于RiccaRi傳遞矩陣法，對 MK2120A型內(nèi)圓磨床的高速主軸系統(tǒng)進行了動力學特性分析。2005年，東北大學 的賈振超瞄”利用ANSYS虛擬樣機有限元分析與實驗模態(tài)相結(jié)合的方法CKS6125 機床進行了動態(tài)性能分析。 對于磨床的專門主軸系統(tǒng)，天津市磨床總廠的王玉新1221通過實驗對高效 率，強力磨削磨床的抗振性進行了研究。2002年，天津大學的楊志永口馴對數(shù) 控臥軸矩形平臺平面磨床的主軸系統(tǒng)進行了抗振性研究，并通過設計主軸減振 裝置使主軸的振動最大幅值降低了30左右。2003年湖州市城市規(guī)劃設計研究 院的陸琴新1241以working model和VC++為平臺，對磨床主軸性能進行了仿真分 析。宋德儒等瞄川以實驗方法對高速實驗磨床電主軸高速旋轉(zhuǎn)時振動的原因進 行了研究，并對其結(jié)構(gòu)進行了改進。 2 主軸組件的受力與支承軸承剛度 6 2 主軸組件的受力與支承軸承剛度 2.1 主軸組件的受力分析 主軸組件依托磨頭機構(gòu)在絲杠作用下沿導軌作豎直方向的進給運動,除自重外 主要承受兩種外力：皮帶傳動過程中對主軸產(chǎn)生的軸壓力；磨削過程中的磨削 力。 2.1.1 動力及工況簡介 磨頭的動力傳動方式為帶傳動：電機一皮帶一皮帶輪一花鍵副一主軸砂輪， 電機為5.5Kw,皮帶為3根普通v帶(A型),實現(xiàn)的主軸轉(zhuǎn)速為2000轉(zhuǎn)分。 2.1.2 帶傳動產(chǎn)生的軸壓力 帶傳動的軸壓力計算依據(jù)于“槽面摩擦原理”：在同樣的張緊力下,V 帶傳動 較平帶傳動能產(chǎn)生更大的摩擦力。 P =P (2.1)dAK (2.2)ooaD3.5718012 (2.3)20).(5qvkzvpFad (2.4)sin210 式中：P 電機功率 設計功率dp 工況系數(shù)AK 小帶輪包角1 大帶輪直徑2D 帶輪直徑1 a帶輪中心距 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計(論文) 7 單根皮帶拉力0F z皮帶根數(shù) v帶速( 其中 為小帶輪轉(zhuǎn)速),/106smnDv1n 小帶輪包角正系數(shù)aK qV 帶單位長度質(zhì)量 F軸壓力 對于本課題,P=5.5Kw, =363mm, =145mm,a=500m,z=3,q=0.10Kgm ，2D1 取工況系數(shù) =1.2,將(2.1)(2.2)(2.3)式計算的結(jié)果代入(2.4)式可計算出軸壓力aK F=1712N。 2.2 主軸支承軸承的剛度分析 機床主軸支承一般都是采用滾動軸承,主軸的支承剛度是最重要的參數(shù)之一, 它直接影響到動力學模型的精確度。剛度是主軸軸承動態(tài)性能的主要評價指標, 軸承的動態(tài)性能對主軸軸承系統(tǒng)的工作精度和抗振能力有很大的影響。對于主 軸系統(tǒng)來說,軸承的剛度影響約占40左右,因此本節(jié)內(nèi)容對軸承的工作狀態(tài)迸行 分析。 2.2.1 軸承剛度計算理論 軸承抵抗外載荷作用下變形的能力稱為軸承的剛性,利用軸承剛度表示,軸承 剛度是軸承在某一狀態(tài)下所受外加載荷改變量與內(nèi)外套圈之間相對位移改變量 的比值： LFK 其中，K軸承剛度 外加載荷的改變量 ,負荷可以為力或力矩 內(nèi)外套圈間的位移改變量,可以為線位移或角位移l 軸承的工作狀態(tài)指軸承的轉(zhuǎn)速,內(nèi),外圈溫差,預緊力以及游隙和負荷。游隙 定義為一個套圈固定,另一個套圈不受外負荷時,沿徑向或軸向從一個極限位置到 另一個極限位的移動量,按照移動方向,前者稱為徑向游隙,后者稱為軸向游隙。 軸承滾動體與滾道間在無載荷情況下的接觸為點接觸或線接觸,承受載荷后 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計(論文) 8 接觸面積隨著載荷的增大而增大。因此，軸承的剛度不是一個常數(shù),而是隨著載 荷的改變而改變。 位移與載荷的一般曲線關(guān)系如圖2.1,負荷較小時,負荷改變量引起位移改變 量,比負荷較大時同樣的負荷改變量引起的位移改變量要大。說明在一般情況下, 當負荷增加時,軸承的剛度有所增大。 圖2.1軸承位移載荷關(guān)系圖 滾動軸承剛度計算的理論基礎(chǔ)為彈性接觸理論,即赫茲接觸理論。赫茲最早 研究了兩個彈性體的接觸問題,在某些簡化假設下,求得接觸面的壓力分布及其作 用力的大小。赫茲的研究成果,至今仍為滾動軸承作用力和變形計算的主要依據(jù)。 滾動軸承的滾動體與內(nèi)外圈滾道的接觸是典型的赫茲接觸問題。 為此一個滾動軸承的剛度可以按如下公式計算： K=F/( )321 其中, F經(jīng)向載荷 ,N 軸承的徑向彈性位移 ,mm1 軸承外圈與箱體的接觸變形 ,mm2 軸承內(nèi)圈與軸徑的接觸變形,mm3 西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設計(論文) 9 2.2.2 軸承預緊 滾動軸承預緊指在安裝時使?jié)L動體與滾道保持一定的初始壓力和彈性變形, 以減少工作負荷下軸承的實際變形量。適當?shù)念A緊可以提高支承剛度、提高旋 轉(zhuǎn)精度、提高軸承壽命、提高軸承的阻尼和降低噪聲,同時也保證了軸承磨損之 后其徑向間隙的可補性。 磨床磨頭機構(gòu)如圖2.2所示：作為下支承的是一個雙列向心短圓柱滾子軸承, 中間支承為一個圓柱滾子軸承(內(nèi)圈有擋邊),上支承為兩個并聯(lián)的單列向心球軸 承,其間有一個推力球軸承來承受預緊彈簧的軸向預緊力。 作為主軸組件上支承的為雙列向心短圓柱滾子軸承,它既可以承受一定量的 軸向變量載荷,也可以承受較大的徑向沖擊載荷。它的預緊是通過帶有l(wèi)：12錐度 的內(nèi)圈錐孔來實現(xiàn)的,見圖2.3：當內(nèi)圈在主軸的錐頸上受軸向力而移動時，內(nèi)圈 將脹大,引起滾子包絡圓直徑 變大。滾子包絡圓直徑 與安裝后外圈滾道直2D2D 徑 之差 g= ,就是這種軸承的徑向預緊量(簡稱預緊量)；gO時軸承處于1D12 預緊狀態(tài)，g

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