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XXXX 大學(xué) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)( 論文) 題目：光學(xué)磨床主軸設(shè)計(jì)及三維建模 系 別： 機(jī)電信息系 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級： 1230203 學(xué) 生： XXXX 學(xué) 號(hào)： 123020303 指導(dǎo)教師： XXXX 年 06 月 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 系別 機(jī)電信息系 專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班級 1230203 姓名 XXXX 學(xué)號(hào) 1.畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目： 光學(xué)磨床主軸設(shè)計(jì)及三維建模 2.題目背景和意義：光學(xué)磨床是光學(xué)玻璃精加工的主要設(shè)備，國產(chǎn)光學(xué)磨床普遍存在精度 低、自動(dòng)化程度低、工作環(huán)境差等缺點(diǎn)，平面磨床主軸部件是保證光學(xué)零件精度的關(guān)鍵部 件，實(shí)現(xiàn)光學(xué)磨床主軸部件設(shè)計(jì)，并利用三維軟件實(shí)現(xiàn)建模，對關(guān)鍵部件進(jìn)行分析，提高 設(shè)計(jì)精度，對提高我國光學(xué)玻璃的制造水平有一定的現(xiàn)實(shí)意義，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益和社 會(huì)效益。 3.設(shè)計(jì)(論文) 的主要內(nèi)容及技術(shù)指標(biāo)： (1) 了解光學(xué)磨床的的工作原理和主軸精度要求，提出主軸設(shè)計(jì)方案； (2) 主軸主要部件設(shè)計(jì)計(jì)算及校核； (3) 主軸主要部件設(shè)計(jì)三維建模； (4) 關(guān)鍵部件的分析； 4 設(shè)計(jì)的基本要求及進(jìn)度安排： (1) 學(xué)習(xí)、熟練應(yīng)用計(jì)算機(jī)繪圖工具。 (2) 1-3 周，課題調(diào)研，開題準(zhǔn)備，提交開題報(bào)告。 (3) 4-10 周，完成中期工作，提交中期報(bào)告。 (4) 11-18 周，完成全部設(shè)計(jì)工作，進(jìn)行論文撰寫，提交畢業(yè)論文和必要的圖紙，準(zhǔn)備答辯。 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 學(xué)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(xué)生裝訂入冊，一份教師自留。 2 帶*項(xiàng)可根據(jù)學(xué)科特點(diǎn)選填。 I 光學(xué)磨床主軸設(shè)計(jì)及三維建模 摘 要 現(xiàn)代機(jī)床的發(fā)展日益趨向高效率和高精度，這對機(jī)床的設(shè)計(jì)提出了更高的 要求，需要采用更先進(jìn)和合理的設(shè)計(jì)方法來完成機(jī)床設(shè)計(jì)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?fàn)顩r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(dāng)前的技術(shù)發(fā)展趨勢，對主軸組件 進(jìn)行了受力分析計(jì)算，同時(shí)對該類立軸圓臺(tái)平面磨削的磨削力進(jìn)行了分析。利 用軸承靜剛度的有效經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，結(jié)合該磨床的實(shí)際情況對軸承的剛度狀況 進(jìn)行了分析。 關(guān)鍵詞：光學(xué)磨床；主軸設(shè)計(jì)；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(shè)備的發(fā)展 ......................................................................................2 1.4 PM500 平面磨床的工作原理 ..............................................................................3 1.5PM5OO 傳動(dòng)系統(tǒng) .................................................................................................4 1.6 磨頭機(jī)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(dòng)力及工況簡介 ............................................................................................6 2.1.2 帶傳動(dòng)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(jì)算理論 ........................................................................................7 2.2.2 軸承預(yù)緊 ........................................................................................................8 2.3 主軸支承軸承的剛度計(jì)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(shè)計(jì) ................................................................................12 3.1 主軸設(shè)計(jì)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(jìn) ................................................................................................13 3.5 主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ................................................................................................13 4 SOLID EDGE 三維建模 ..................................................................16 4.1 三維設(shè)計(jì)軟件的簡介 ........................................................................................16 4.2 特征建模技術(shù)的特點(diǎn) ........................................................................................16 4.3 SOLID EDGE 建模的操作方法 ............................................................................17 4.3.1 簡單三維實(shí)體建模技術(shù) .............................................................................18 4.3.2 復(fù)雜三維實(shí)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(shè)計(jì)（論文）知識(shí)產(chǎn)權(quán)聲明 ..........................................................28 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明 ..............................................................29 主要符號(hào)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(yīng)力2/N 抗拉壓強(qiáng)度P 許用壓強(qiáng) ( )Mpa.mrad 扭轉(zhuǎn)剛度H 鍵與輪轂的接觸高度I 絲桿危險(xiǎn)截面慣性距p 擠壓應(yīng)力P 壓強(qiáng)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(jì)實(shí)力、國 防實(shí)力、綜合國力和在全球經(jīng)濟(jì)中的競爭能力。20世紀(jì)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(jì)基礎(chǔ) ”,要“促進(jìn)先 進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展”。為了預(yù)測未來制造業(yè)的發(fā)展，1997 年美國制定了“下一 代制造計(jì)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(cái)富的主要?jiǎng)?chuàng)造者，而裝備制造業(yè)作為整個(gè)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(jìn)程和民族的復(fù)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(shí)意義。 機(jī)床是機(jī)械加工行業(yè)中最基本的勞動(dòng)工具，在工廠中每時(shí)每刻都在使用， 是制造業(yè)和機(jī)械零件加工行業(yè)中最根本的工作手段，也是應(yīng)用最廣泛的加工工 具。而磨床是車，銑、刨、磨各類機(jī)床中最基本的最普遍的施行精加工的機(jī)床， 絕大部分機(jī)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(xué)技術(shù)的發(fā)展，對機(jī)械設(shè)備提出了越來越高的 要求，同時(shí)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(shè)計(jì)周期，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的水平。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)要求，要求產(chǎn)品設(shè) 計(jì)人員在產(chǎn)品物理樣機(jī)設(shè)計(jì)完成后，在產(chǎn)品的物理樣機(jī)制造出來之前，能夠?qū)?產(chǎn)品的各項(xiàng)性能進(jìn)行評價(jià)，了解和掌握產(chǎn)品的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，從而可以在產(chǎn) 品投產(chǎn)之前對設(shè)計(jì)進(jìn)行修改和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高設(shè)計(jì)的成功率和產(chǎn)品質(zhì)量。對于 設(shè)備改造而言，也要有同樣的步驟：首先，確定改造的目標(biāo)；進(jìn)而分析原設(shè)備 的性能參數(shù)；然后根據(jù)分析結(jié)果對原設(shè)計(jì)進(jìn)行取舍和相應(yīng)的改造并加以分析優(yōu) 化以實(shí)現(xiàn)改造目標(biāo)。 長期以來，國內(nèi)的機(jī)床設(shè)計(jì)多為經(jīng)驗(yàn)?zāi)M設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算沿用傳統(tǒng)的 計(jì)算方法，如材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)以及彈性力學(xué)的一些公式進(jìn)行計(jì)算。這些公 式的推導(dǎo)多以強(qiáng)度方面的理論為主，輔以實(shí)驗(yàn)和測試方法得出，具有一定的可 靠性。但由于機(jī)床結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，計(jì)算過程中的數(shù)學(xué)模型對結(jié)構(gòu)進(jìn)行了許多簡化， 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 2 導(dǎo)致了計(jì)算的精度差異較大。同時(shí)憑借簡單的計(jì)算工具，計(jì)算繁冗，時(shí)間 很長，有些項(xiàng)目無法準(zhǔn)確計(jì)算。因此，利用傳統(tǒng)的模擬設(shè)計(jì)方法進(jìn)行機(jī)床設(shè)計(jì) 雖然可以對機(jī)床或某些組成的零部件進(jìn)行綜合或者部分的技術(shù)性能實(shí)驗(yàn)，但是 受實(shí)驗(yàn)手段和方法的限制，還不能夠進(jìn)行全面深入的研究，從而根本上也談不 上優(yōu)化設(shè)計(jì)以及動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，多為“設(shè)計(jì)一制造一修改設(shè)計(jì)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(fèi)時(shí)費(fèi)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(jī)床條件等。由于磨削熱和塑性變形等原因，磨削表面會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。殘 余壓應(yīng)力可提高工件的疲勞強(qiáng)度和壽命；殘余拉應(yīng)力則會(huì)降低疲勞強(qiáng)度，當(dāng)殘 余拉應(yīng)力超過材料的強(qiáng)度極限時(shí)，就會(huì)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(qiáng)化作用，使表面金屬顯微硬度明顯增加，但也會(huì)因磨削熱的影 響，使強(qiáng)化了的金屬發(fā)生弱化。在平面磨削時(shí)，工件速度硬為 1020m/min。而 常規(guī)外圓磨削，該速度應(yīng)為 1520m/min，對于尺寸較小的工件，該速度應(yīng)相應(yīng) 減小，一般為 510m/min。工件移動(dòng)速度的變化是砂輪磨削性能也隨之改變。 增加工件移動(dòng)的速度像使砂輪變軟，而減慢工件移動(dòng)的速度，像使砂輪變硬。 1.3 國內(nèi)外平磨設(shè)備的發(fā)展 平面磨床是磨床類機(jī)床中發(fā)展?jié)摿ψ畲蟮臋C(jī)床，在完成傳統(tǒng)的平面磨削功 能外，以平磨的床身、拖板、臺(tái)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(jìn)行了改造，提高了精 度和性能。改造過程中主要采用滑動(dòng)軸承尤其是靜壓技術(shù)對其進(jìn)行了改進(jìn)。 近幾年來，精度作為平面磨床的一項(xiàng)重要的考核指標(biāo)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(biāo)及主要研究內(nèi) 容之一：著力進(jìn)行主軸材料、結(jié)構(gòu)、軸承的研究與開發(fā)；主軸系統(tǒng)動(dòng)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(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、虛擬設(shè)計(jì)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(tái)往復(fù)速度最高可達(dá) 200m/min，工作臺(tái)的加速 度 50m/s2。當(dāng)然，這都是采用直線電機(jī)后才達(dá)到了這個(gè)水平。確實(shí)，新功能部 件的使用對提高機(jī)床主機(jī)的性能起了非常大的作用。 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(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(tái)速度和高的加速度進(jìn)行磨削加 工。傳動(dòng)方式由原來的直流電機(jī)齒帶或滾珠絲杠傳動(dòng)變?yōu)椴捎弥本€電機(jī)驅(qū)動(dòng)， 其運(yùn)動(dòng)速度更快，效率更高，應(yīng)用范圍更廣。 近幾年，歐洲高速行程磨削得到較快的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)了 2 個(gè)目標(biāo)減少加 工費(fèi)用 40%和減少磨削時(shí)間 50%。從磨削機(jī)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。總之，高速行程磨削 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(shí)用化和復(fù)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(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)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(jī)電一體 化和計(jì)算機(jī)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(jī)床制造企業(yè)都有強(qiáng)大的自主創(chuàng)新能力，在每屆重要的機(jī)床展覽會(huì)上 都能發(fā)現(xiàn)新的亮點(diǎn)。例如在 2005 年的歐洲機(jī)床展覽會(huì)上，MAEGERLE 公司展 出了一臺(tái)最新的 MFP 數(shù)控磨床，該機(jī)在世界上首次采用最新的驅(qū)動(dòng)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(diǎn)是：最大的阻 尼特性和進(jìn)給力，加上在絲杠軸和螺母之間無磨損的運(yùn)行。此外，與直線驅(qū)動(dòng) 相比，能量消耗要低 10 倍以上，不會(huì)產(chǎn)生任何熱量精度作為平面磨床的一項(xiàng)重 要的考核指標(biāo)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(jìn)給機(jī)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(shí)現(xiàn)了最小進(jìn)給量 01m，各國制造廠為實(shí)現(xiàn)這種微小進(jìn)給一般都采 用精密數(shù)控系統(tǒng)，最大限度地縮短進(jìn)給傳動(dòng)鏈等措施來滿足機(jī)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(tái)式平面磨床、立軸矩形式平面磨床、 臥軸圓臺(tái)式平面磨床、臥軸圓臺(tái)式平面磨床。 PM500 為立軸圓臺(tái)式平面磨床， 利用砂輪的端面進(jìn)行磨削加工。磨頭在作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，作垂直方向的升降 運(yùn)動(dòng)。下降運(yùn)動(dòng)依靠磨頭自身的重力實(shí)現(xiàn)，而上升運(yùn)動(dòng)依靠絲杠的帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)， 工作臺(tái)帶動(dòng)工件作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而進(jìn)行對工件的磨削加工。 平面磨床是光學(xué)玻璃精加工的主要設(shè)備，國產(chǎn)光學(xué)磨床普遍存在精度底， 自動(dòng)化程度底，工作環(huán)境差等缺點(diǎn)，平面磨床工作臺(tái)是保證光學(xué)零件精度的關(guān) 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 4 鍵部件，實(shí)現(xiàn) PM500 平面磨床工作臺(tái)設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)精度，對提高我國光學(xué)玻 璃的制造水平有一定的現(xiàn)實(shí)意義，具有提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的重要意義。 1.5PM5OO 傳動(dòng)系統(tǒng) 圖 1.1 傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖 磨床傳動(dòng)系統(tǒng)如圖 1.1 所示，它的驅(qū)動(dòng)源是三相異步電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)是安 置于主軸箱內(nèi)，主要負(fù)責(zé)主軸系統(tǒng)的上下移動(dòng)，由一級帶輪的一個(gè)分支通過以 上的傳動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)磨床工作臺(tái)。 1.6 磨頭機(jī)構(gòu)及其主軸組件的研究現(xiàn)狀 磨頭機(jī)構(gòu)是磨床的核心機(jī)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(gè)方面：受 力變形、固有頻率、頻率響應(yīng)、臨界轉(zhuǎn)速等。 國內(nèi)外許多學(xué)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(gè)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(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了滾動(dòng)軸承徑向靜態(tài)剛度。 1985年，Neddy和Sharo應(yīng)用有限元模型研究車床主軸的動(dòng)態(tài)特性及其設(shè)計(jì)。 1988年，Sadeghipo將動(dòng)柔度分析引入對主軸系統(tǒng)的動(dòng)力特牲和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的研究 之中。1997年，美國普渡大學(xué)的BertRJorgensen和YtmgCShintlul推出 了一個(gè)包括熱變形的軸承載荷變形模型，并與離散的主軸動(dòng)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(jì)算值。同年 Tsutsumi等人研究了滾動(dòng)軸承的動(dòng)態(tài)性能對主軸振動(dòng)特性的影響，YhlandLlu建 立了僅受球軸承幾何缺陷激勵(lì)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(xué)者也在該領(lǐng)域進(jìn)行了研究，采用的方法有理論分析計(jì)算、動(dòng)態(tài)試 驗(yàn)以及二者相結(jié)合等。何邦貴等糾對主軸系統(tǒng)動(dòng)力特性研究是以某車床主軸為 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 5 研究對象，應(yīng)用有限元析法和實(shí)驗(yàn)方法，根據(jù)動(dòng)柔度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)辨識(shí)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(dòng)力學(xué)模型。采用計(jì)算機(jī)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(yù)緊力、跨距、附加集中質(zhì)量和阻 尼等設(shè)計(jì)參數(shù)對主軸系統(tǒng)動(dòng)力特性的影響規(guī)律。1992年，江蘇工學(xué)院的付華應(yīng) 用試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析與有限元計(jì)算相結(jié)合的方法，對傳統(tǒng)主軸部件進(jìn)行了動(dòng)力特性 分析，并對主軸進(jìn)行了動(dòng)力修改。1994年，大連理工大學(xué)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(dòng)特性分析軟件SAAS。1999年，北京 工業(yè)大學(xué)的費(fèi)仁元等叫采用實(shí)驗(yàn)方法對復(fù)雜的主軸部件進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性分析。 2000年，沈陽工業(yè)學(xué)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(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析。同年，北京理工大學(xué)的劉素華利用有限元 分析軟件ALGOR FEAS對電主軸的動(dòng)靜態(tài)特性進(jìn)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(jìn)行了靜、動(dòng)態(tài)特性分 析。武漢理工大學(xué)的楊光等利用傳遞矩陣法對電主軸系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)特性分 析。2003年，無錫機(jī)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(jìn)行了動(dòng)力學(xué)特性分析。2005年，東北大學(xué) 的賈振超瞄”利用ANSYS虛擬樣機(jī)有限元分析與實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)相結(jié)合的方法CKS6125 機(jī)床進(jìn)行了動(dòng)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(shí)驗(yàn)對高效 率，強(qiáng)力磨削磨床的抗振性進(jìn)行了研究。2002年，天津大學(xué)的楊志永口馴對數(shù) 控臥軸矩形平臺(tái)平面磨床的主軸系統(tǒng)進(jìn)行了抗振性研究，并通過設(shè)計(jì)主軸減振 裝置使主軸的振動(dòng)最大幅值降低了30左右。2003年湖州市城市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究 院的陸琴新1241以working model和VC++為平臺(tái)，對磨床主軸性能進(jìn)行了仿真分 析。宋德儒等瞄川以實(shí)驗(yàn)方法對高速實(shí)驗(yàn)?zāi)ゴ搽娭鬏S高速旋轉(zhuǎn)時(shí)振動(dòng)的原因進(jìn) 行了研究，并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。 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(jī)構(gòu)在絲杠作用下沿導(dǎo)軌作豎直方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng),除自重外 主要承受兩種外力：皮帶傳動(dòng)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(dòng)力及工況簡介 磨頭的動(dòng)力傳動(dòng)方式為帶傳動(dòng)：電機(jī)一皮帶一皮帶輪一花鍵副一主軸砂輪， 電機(jī)為5.5Kw,皮帶為3根普通v帶(A型),實(shí)現(xiàn)的主軸轉(zhuǎn)速為2000轉(zhuǎn)分。 2.1.2 帶傳動(dòng)產(chǎn)生的軸壓力 帶傳動(dòng)的軸壓力計(jì)算依據(jù)于“槽面摩擦原理”：在同樣的張緊力下,V 帶傳動(dòng) 較平帶傳動(dòng)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(jī)功率 設(shè)計(jì)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(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(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(jì)算的結(jié)果代入(2.4)式可計(jì)算出軸壓力aK F=1712N。 2.2 主軸支承軸承的剛度分析 機(jī)床主軸支承一般都是采用滾動(dòng)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(dòng)力學(xué)模型的精確度。剛度是主軸軸承動(dòng)態(tài)性能的主要評價(jià)指標(biāo), 軸承的動(dòng)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(jì)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(fù)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(yù)緊力以及游隙和負(fù)荷。游隙 定義為一個(gè)套圈固定,另一個(gè)套圈不受外負(fù)荷時(shí),沿徑向或軸向從一個(gè)極限位置到 另一個(gè)極限位的移動(dòng)量,按照移動(dòng)方向,前者稱為徑向游隙,后者稱為軸向游隙。 軸承滾動(dòng)體與滾道間在無載荷情況下的接觸為點(diǎn)接觸或線接觸,承受載荷后 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(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(gè)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(fù)荷較小時(shí),負(fù)荷改變量引起位移改變 量,比負(fù)荷較大時(shí)同樣的負(fù)荷改變量引起的位移改變量要大。說明在一般情況下, 當(dāng)負(fù)荷增加時(shí),軸承的剛度有所增大。 圖2.1軸承位移載荷關(guān)系圖 滾動(dòng)軸承剛度計(jì)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(gè)彈性體的接觸問題,在某些簡化假設(shè)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(dòng)軸承作用力和變形計(jì)算的主要依據(jù)。 滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)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(gè)滾動(dòng)軸承的剛度可以按如下公式計(jì)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(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 9 2.2.2 軸承預(yù)緊 滾動(dòng)軸承預(yù)緊指在安裝時(shí)使?jié)L動(dòng)體與滾道保持一定的初始壓力和彈性變形, 以減少工作負(fù)荷下軸承的實(shí)際變形量。適當(dāng)?shù)念A(yù)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(shí)也保證了軸承磨損之 后其徑向間隙的可補(bǔ)性。 磨床磨頭機(jī)構(gòu)如圖2.2所示：作為下支承的是一個(gè)雙列向心短圓柱滾子軸承, 中間支承為一個(gè)圓柱滾子軸承(內(nèi)圈有擋邊),上支承為兩個(gè)并聯(lián)的單列向心球軸 承,其間有一個(gè)推力球軸承來承受預(yù)緊彈簧的軸向預(yù)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(yù)緊是通過帶有l(wèi)：12錐度 的內(nèi)圈錐孔來實(shí)現(xiàn)的,見圖2.3：當(dāng)內(nèi)圈在主軸的錐頸上受軸向力而移動(dòng)時(shí)，內(nèi)圈 將脹大,引起滾子包絡(luò)圓直徑 變大。滾子包絡(luò)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(yù)緊量(簡稱預(yù)緊量)；gO時(shí)軸承處于1D12 預(yù)緊狀態(tài)，g
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