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畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開(kāi)題報(bào)告設(shè)計(jì)(論文) 題目： 基于 ANSYS 的數(shù)控機(jī)床主軸的有限元分析 學(xué)院： 機(jī)械工程學(xué)院 專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 機(jī)械卓越 141 班 學(xué) 生 姓 名 : 指 導(dǎo) 教 師 ： 系 主 任 : 年 3 月 30 日畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）開(kāi) 題 報(bào) 告1．結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫2000 字左右的文獻(xiàn)綜述：文 獻(xiàn) 綜 述1.1 課題研究背景及意義裝備制造業(yè)發(fā)展水平是一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力的重要體現(xiàn)，國(guó)家重大裝備制造更是事關(guān)國(guó)家經(jīng)濟(jì)安全、國(guó)防安全的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)。西方國(guó)家甚至用裝備制造業(yè)技術(shù)水平的高低來(lái)衡量一個(gè)國(guó)家在該領(lǐng)域的地位，中國(guó)是工程機(jī)械設(shè)備的制造大國(guó)。但是，中國(guó)工程機(jī)械行業(yè)在許多關(guān)鍵零部件的制造上一直受制于西方發(fā)達(dá)國(guó)家，其主要原因是缺少高精度的數(shù)控機(jī)床。隨著現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和生產(chǎn)水平的不斷提高，數(shù)控機(jī)床在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)現(xiàn)代化的建設(shè)中成為不可或缺的一部分。主軸部件作為數(shù)控機(jī)床最關(guān)鍵部件之一，同時(shí)主軸部件的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)數(shù)控車床高速、高精和高效加工的最關(guān)鍵技術(shù)之一。因此,主軸部件的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性與結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)控機(jī)床的加工質(zhì)量和切削能力起決定性作用。由此可見(jiàn)，分析數(shù)控機(jī)床主軸部件的靜動(dòng)態(tài)特性,對(duì)提升數(shù)控機(jī)床的工作性能尤為重要，對(duì)改善我國(guó)裝備制造業(yè)總體比較落后的技術(shù)水平，具有重大的理論和現(xiàn)實(shí)意義。目前，國(guó)內(nèi)機(jī)床設(shè)計(jì)的主流的是經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，機(jī)床結(jié)構(gòu)中所涉及的設(shè)計(jì)計(jì)算一直沿用普通的結(jié)構(gòu)計(jì)算方法。雖然這些計(jì)算公式大多是依據(jù)強(qiáng)度方面的理論而導(dǎo)出，并且通過(guò)一定的試驗(yàn)和測(cè)試的驗(yàn)證，具有一定的科學(xué)依據(jù)和可靠性。但由于現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)相比普通機(jī)床較為復(fù)雜，僅憑簡(jiǎn)單的計(jì)算理論，在計(jì)算時(shí)要對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行大量的簡(jiǎn)化，致使計(jì)算精度很差。有些項(xiàng)目更是因?yàn)橛?jì)算繁瑣，時(shí)間耗費(fèi)大，最終無(wú)法計(jì)算出結(jié)果。因而在實(shí)際生產(chǎn)與設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)工作者仍然使用外推或類比的方法對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。而這種相對(duì)傳統(tǒng)的方法，僅僅適用于數(shù)控機(jī)床中不同結(jié)構(gòu)性能的定性分析和比較上。在進(jìn)行實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，仍取較大的安全系數(shù)，結(jié)果使機(jī)床中的某些結(jié)構(gòu)尺寸和重量偏大，不但不能很好的利用材料，而且機(jī)床結(jié)構(gòu)性能難以提高。特別對(duì)于機(jī)床主軸這種影響機(jī)床加工精度的重要部件，只能依靠以往的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行局部修正，無(wú)法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。1.2 機(jī)床主軸特性分析在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1 機(jī)床主軸特性分析在國(guó)外的研究現(xiàn)狀國(guó)外學(xué)者對(duì)主軸結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)態(tài)特性研究開(kāi)展較早，最早對(duì)主軸特性分析的可追隧到 20 世紀(jì) 60 年代的 Bollinger 將軸承模擬為一個(gè)簡(jiǎn)單的阻尼器和徑向彈簧，分析了車床主軸的動(dòng)靜態(tài)特性，2007 年，Y Cao 等建立了主軸-軸承系統(tǒng)，研究了軸承預(yù)緊力對(duì)主軸系統(tǒng)動(dòng)態(tài)剛度的影響，進(jìn)而提高系統(tǒng)的固有頻率，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1]。2009 年，D. Li Y. Guan ，G. Xu 使用 PRO/E 軟件的有限元模塊對(duì)機(jī)床的床身進(jìn)行了有限元模態(tài)分析，找出機(jī)床的薄弱環(huán)節(jié)，改進(jìn)了床身的設(shè)計(jì) [2]。2010 年，ABELE E, ALTINTAS Y 等研究了機(jī)床主軸單元系統(tǒng)，較系統(tǒng)的從主軸靜動(dòng)態(tài)特性和主軸的熱特性進(jìn)行了分析 [3]。2011 年，KL Cavalca 等建立了轉(zhuǎn)子-軸承-基礎(chǔ)有限元模型，研究了基礎(chǔ)質(zhì)量對(duì)固有頻率的影響 [4]。同年，P Kolar 等通過(guò)建立主軸-刀具耦合系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并做了動(dòng)力學(xué)分析 [5]。2015 年，J Hong 等等建立了轉(zhuǎn)子-軸承的基礎(chǔ)有限元模型，研究了基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響，發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)質(zhì)量的增加會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速的降低 [6]。1.2.2 機(jī)床主軸特性分析在國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)對(duì)主軸系統(tǒng)的靜動(dòng)態(tài)特性研究要比國(guó)外晚一些，在國(guó)外研究的基礎(chǔ)上，我國(guó)對(duì)機(jī)床主軸研究也取得了很大的進(jìn)展，2007 年，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)的孟凡富、楊濤等采用 ANSYS 對(duì) CHK1450 電主軸進(jìn)行有限元分析，得出縮短主軸的前懸伸量、合理地選擇軸承的配置方式和主軸的跨距可以提高主軸的剛度與固有頻率，以改善主軸系統(tǒng)的動(dòng)力特性 [7]。2009 年，張耀滿、王偉采用有限元法分析了機(jī)床主軸部件橫向振動(dòng)的固有特性，并研究了采用彈簧阻尼單元模擬軸承支承的方法 [8]。2012 年，廣西大學(xué)的許梟對(duì) XH2320/4 銑床主軸進(jìn)行有限元分析，并提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方案 [9]。在這一年，梁雙翼、陳晨等對(duì)電主軸進(jìn)行了模態(tài)分析，并證明了電主軸最高轉(zhuǎn)速是設(shè)計(jì)合理的 [10]。2014 年，馬巖，岳彩裙等對(duì)暗直榫歐式木窗專用數(shù)控機(jī)床主軸的尺寸結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，并驗(yàn)證其設(shè)計(jì)的合理性 [11]。同年，華東交通大學(xué)的胡維東對(duì)GSLM3308 機(jī)床主軸箱靜動(dòng)態(tài)分析，并分析了主軸箱的熱特性及拓?fù)鋬?yōu)化 [12]。趙大興，王婷等對(duì)磨齒機(jī)主軸系統(tǒng)進(jìn)行了模態(tài)分析，得出主軸前后支撐間距對(duì)砂輪主軸組件系統(tǒng)的模態(tài)頻率和最大變形量有較大影響 [13]。2015 年，東北大學(xué)的汪博、孫偉、聞邦椿建立了考慮轉(zhuǎn)速的主軸-軸承的通用有限元模型，分析了離心力、陀螺效應(yīng)、軸承徑向剛度以及上述因素耦合對(duì)高速主軸動(dòng)力學(xué)特性的影響 [14]。2016 年，劉世豪、張?jiān)祈樀葘?duì)數(shù)控機(jī)床主軸優(yōu)化設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)進(jìn)行研究，構(gòu)造了主軸傳動(dòng)方式優(yōu)選法，并驗(yàn)證了機(jī)床主軸優(yōu)化設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)的可行性 [15]。2017 年，蘭州理工大學(xué)的陳建文、胡世軍等對(duì)高速電主軸進(jìn)行了靜動(dòng)態(tài)分析，證明了兩種約束均適用于高速電主軸的模態(tài)分析 [16]。2018 年，沈陽(yáng)建筑大學(xué)的王正浩，張杜鵑使用 Ansys Workbench 通過(guò)對(duì) CJ190Z4 機(jī)床的主軸進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，得出主軸的固有頻率隨溫度的升高而降低 [17]。近年，廣東工業(yè)大學(xué)、湖南工業(yè)大學(xué)、大連理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、東北大學(xué)等高校在此基礎(chǔ)上，相繼對(duì)高速電主軸單元的動(dòng)靜態(tài)特性進(jìn)行了一定的研究，并就與其相配套的軸承分析理論進(jìn)行了總結(jié)，完善了主軸系統(tǒng)的分析理論。針對(duì)高速與精密機(jī)床主軸的特性研究已經(jīng)逐漸成為主流，在接下來(lái)的一段時(shí)間內(nèi)必將成為研究熱點(diǎn)。1.3 機(jī)床主軸特性分析的概述機(jī)床主軸單元的動(dòng)靜態(tài)特性主要包括主軸固有頻率、受力變形、臨界轉(zhuǎn)速和動(dòng)態(tài)響應(yīng)。在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間里，其研究方法主要為解析法、近似理論解法、圖解法和數(shù)值解法，其中數(shù)值解法的應(yīng)用最為廣泛。隨著近幾年來(lái)計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,機(jī)床主軸單元的特性研究也進(jìn)入了新的研究階段。古典結(jié)構(gòu)分析法、傳遞矩陣法、有限差分法、有限單元法和結(jié)構(gòu)修正法等計(jì)算機(jī)分析方法相繼問(wèn)世。這其中，有限元法是較為常用的數(shù)值解法，它的核心思想是將問(wèn)題的定義域分解為有限個(gè)子空間，將所需求解的函數(shù)在有限個(gè)點(diǎn)上進(jìn)行近似插值；根據(jù)相關(guān)的數(shù)學(xué)物理分析，獲得每個(gè)子空間上有限個(gè)插值點(diǎn)的外界條件與待求函數(shù)值之間所滿足的方程組；通過(guò)直接法、加權(quán)余量法或變分法對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行近似求解。1.4 總結(jié) 本課題依據(jù)成熟的建模和分析軟件，利用虛擬仿真技術(shù)得到機(jī)床產(chǎn)品主軸部件的性能數(shù)據(jù),利用優(yōu)化設(shè)計(jì)方法根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)原有設(shè)計(jì)進(jìn)行必要的修改,可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。不僅可以彌補(bǔ)原有設(shè)計(jì)方法的不足，而且還能降低產(chǎn)品的設(shè)計(jì)成本，能夠得到較為可靠的設(shè)計(jì)方案。參考文獻(xiàn)[1] Y Cao,Y Altintas.Modeling of spindle-bearing and machine tool systems for virtual simulation of milling operations[J].International Journal of MachineTools & Manufacture,2007,47(9):1342-1350. 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