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西安科技大學(xué)高新學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
系 別：
機(jī) 電 信 息 學(xué) 院
專(zhuān) 業(yè)：
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué) 生 姓 名：
學(xué) 號(hào)：
設(shè)計(jì)(論文)題目：
XK2001機(jī)床主軸組件建模與工程分析設(shè)計(jì)
起 迄 日 期:
2012年 9月 24日 — 2012年 12月16日
設(shè)計(jì)(論文)地點(diǎn):
西安科技大學(xué)高新學(xué)院
指 導(dǎo) 教 師:
專(zhuān)業(yè)教研室負(fù)責(zé)人:
52
摘 要
ANSYS有限元軟件包是一個(gè)多用途的有限元法計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)程序，可以用來(lái)求解結(jié)構(gòu)、流體、電力、電磁場(chǎng)及碰撞等問(wèn)題。因此它可應(yīng)用于以下工業(yè)領(lǐng)域： 航空航天、工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、橋梁、建筑、電子產(chǎn)品、重型機(jī)械、微機(jī)電系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)器械等。
機(jī)床主軸是最常件的零件，該零件結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，操作方便，加工精度高，價(jià)格低廉，因此得到了廣泛的使用。目前很多機(jī)床主軸都做了適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，使其適用性得到了更大的提高。
本設(shè)計(jì)是基于ANSYS軟件來(lái)機(jī)床主軸行分析。與傳統(tǒng)的計(jì)算相比，借助于計(jì)算機(jī)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(guò)程，能夠準(zhǔn)確的獲得分析模型各個(gè)部位的應(yīng)力、變形等結(jié)果。對(duì)零件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化有很大的參考作用。
正是因?yàn)樯鲜鰞?yōu)點(diǎn)，我在本設(shè)計(jì)中運(yùn)用PROE來(lái)建立三維模型。再將此模型導(dǎo)入ANSYS軟件來(lái)對(duì)其進(jìn)行分析。
關(guān)鍵詞：機(jī)床主軸，三維建模，ANSYS，動(dòng)靜態(tài)分析
Abstract
ANSYS (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.
Transmission shaft is the most common a regular part, the part structure is simple, convenient operation, high precision, low prices, it has been widely used. At present, many have made the appropriate Transmission shaft improvements, it has been greatly enhanced applicability.
The design is based on ANSYS software to Transmission shaft 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 PROE to create three-dimensional model Transmission shaft. Then this model was introduced by the ANSYS software to its line of analysis.
Key Words: Transmission shaft，three-dimensional modeling ，ANSYS， dynamic and static analysis
XK2001機(jī)床主軸組件建模與工程分析設(shè)計(jì)
目 錄
摘 要 II
Abstract III
目 錄 IV
第1章 緒論 7
1.1 選題的目的和意義 7
1.2選題的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 7
1.3 機(jī)床主軸知識(shí) 8
1.4 機(jī)床主軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 8
第2章 本課題任務(wù)和研究方法 10
2.1 課題任務(wù) 10
2.2分析方法 10
2.3 本課題的研究方法 11
2.4 有限元方法介紹 11
2.4.1概述 11
2.4.2 基本思想 11
2.4.3特點(diǎn) 12
2.5 ANSYS軟件簡(jiǎn)介 13
第3章 XK2001機(jī)床主軸組件理論設(shè)計(jì)計(jì)算 14
3.1主軸主要參數(shù)的計(jì)算 14
3.1.1主軸前端直徑D1 14
3.1.2主軸內(nèi)徑 d 14
3.1.3主軸前端懸伸量a確定 15
3.1.4 主軸跨距的確定 16
3.2 軸的剛度計(jì)算 16
3.3 軸承的選型 17
3.3.1角接觸球軸承 18
3.3.2 圓柱滾子軸承 19
3.3.3圓錐滾子軸承 19
3.3.4 深溝球軸承 19
3.4 軸承間隙調(diào)整和預(yù)緊 20
3.5 主軸組件的剛度和剛度損失的計(jì)算 20
3.6 軸承的校核 22
3.7 主軸組件的潤(rùn)滑和密封 23
3.7.1主軸滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑 23
3.7.2脂潤(rùn)滑 23
3.7.3 油潤(rùn)滑 24
3.7.4 主軸組件的密封 24
第4章 確定機(jī)床主軸研究對(duì)象和PROE建模 25
4.1確定機(jī)床主軸研究對(duì)象概述 25
4.2 主軸建模 25
4.3 軸承建模 26
4.4 圓螺母建模 27
4.5 齒輪建模 28
4.6 其他附件建模 29
第5章 機(jī)床主軸的有限元分析 33
5.1有限元分析的基本步驟 33
5.2 有限元分析過(guò)程與步驟 33
5.2.1 轉(zhuǎn)換模型格式 33
5.2.2 具體分析操作設(shè)置 36
5.2.3 具體分析操作設(shè)置 39
5.2.4分析與求解過(guò)程 45
5.2.5后處理過(guò)程 47
第六章 總結(jié)和機(jī)床主軸的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析 51
結(jié)論 - 54 -
參考文獻(xiàn) - 55 -
致 謝 - 56 -
第1章 緒論
1.1 選題的目的和意義
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益普及和FEA技術(shù)的蓬勃發(fā)展，人們已經(jīng)廣泛采用計(jì)算機(jī)有限元仿真分析來(lái)作為機(jī)床主軸強(qiáng)度校核的方法。而機(jī)床主軸向重載、高速、低噪、高可靠性方向發(fā)展，現(xiàn)代機(jī)床主軸設(shè)計(jì)對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)的靜、動(dòng)態(tài)特性提出了更高的要求。機(jī)床主軸設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容之一是機(jī)床主軸。因此，建立比較精確的分析模型，準(zhǔn)確的掌握輪齒應(yīng)力的分布特點(diǎn)和變化規(guī)律具有重要的意義。
本文采用在PROE等CAD軟件中建立模型,然后導(dǎo)入到ANAYS中進(jìn)行分析相比，既省時(shí)省力，又克服了模型轉(zhuǎn)換過(guò)程中容易出現(xiàn)的一些問(wèn)題。根據(jù)有限元分析結(jié)果，與赫茲公式計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了分析結(jié)果的可靠性，在保證結(jié)構(gòu)安全可靠運(yùn)行的條件下，提高設(shè)計(jì)制造的效率，降低設(shè)計(jì)研制成本。
本課題從彈性力學(xué)的基本理論出發(fā)，以機(jī)床主軸的有限元分析為重點(diǎn)，ANSYS10.0 為軟件平臺(tái)，借助計(jì)算機(jī)對(duì)機(jī)床主軸進(jìn)行迅速、高效地強(qiáng)度設(shè)計(jì)分析，正應(yīng)了當(dāng)今市場(chǎng)的需求。
1.2選題的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)
近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及和計(jì)算速度的不斷提高，有限元分析方法在工程設(shè)計(jì)和分析中，已成為解決復(fù)雜工程分析計(jì)算問(wèn)題的有效途徑。有限元作為CAE技術(shù)中的一種關(guān)鍵計(jì)算方法，自20世紀(jì)中葉產(chǎn)生以來(lái)，以其獨(dú)有的魅力得到了越來(lái)越廣泛的發(fā)展和應(yīng)用。目前，已出現(xiàn)了不同形態(tài)的有限元方法，并由此產(chǎn)生了一批非常成熟的通用和專(zhuān)業(yè)的有限元商業(yè)軟件。
ANSYS軟件是美國(guó)ANSYS公司研制的融合結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁場(chǎng)、聲場(chǎng)和耦合場(chǎng)分析與一體的大型通用有限元分析(FEA)軟件。其用戶涵蓋了核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源、電子、造船、交通、國(guó)防軍工、土木工程地礦、水利、日用家電和教學(xué)科研等眾多領(lǐng)域。該軟件可在大多數(shù)計(jì)算機(jī)和操作系統(tǒng)上運(yùn)行，ANSYS文件在其所有的產(chǎn)品系列和工作平臺(tái)上均兼容。其基于Motif的菜單系統(tǒng)，讓用戶能夠方便地通過(guò)對(duì)話框、下拉式菜單和子菜單進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入和功能選擇。另外，ANSYS能與多數(shù)CAD軟件結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如AutoCAD、I-DEAS、Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAD工具之一。在相繼收購(gòu)了ICEM、CFX、CENTURY DYNAMICS、AAVID THERMAL、FLUENT等世界著名有限元分析程序制造公司并將其產(chǎn)品和ANSYS整合之后，ANSYS實(shí)際上已成為世界上最通用和有效的商業(yè)有限元軟件。在我國(guó)，ANSYS軟件經(jīng)過(guò)多年的經(jīng)營(yíng)，商業(yè)版用戶已達(dá)數(shù)百家，遍及各個(gè)領(lǐng)域，與此同時(shí)，70%以上的理工大學(xué)均用ANSYS進(jìn)行科學(xué)研究及教學(xué)。
1.3 機(jī)床主軸知識(shí)
機(jī)床主軸指的是機(jī)床上帶動(dòng)工件或刀具旋轉(zhuǎn)的軸。通常由主軸、軸承和傳動(dòng)件（齒輪或帶輪）等組成主軸部件。在機(jī)器中主要用來(lái)支撐傳動(dòng)零件如齒輪、帶輪，傳遞運(yùn)動(dòng)及扭矩，如機(jī)床主軸；有的用來(lái)裝夾工件，如心軸。[1]除了刨床、拉床等主運(yùn)動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)床外，大多數(shù)機(jī)床都有主軸部件。主軸部件的運(yùn)動(dòng)精度和結(jié)構(gòu)剛度是決定加工質(zhì)量和切削效率的重要因素。衡量主軸部件性能的指標(biāo)主要是旋轉(zhuǎn)精度、剛度和速度適應(yīng)性。①旋轉(zhuǎn)精度：主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)在影響加工精度的方向上出現(xiàn)的徑向和軸向跳動(dòng)（見(jiàn)形位公差），主要決定于主軸和軸承的制造和裝配質(zhì)量。②動(dòng)、靜剛度：主要決定于主軸的彎曲剛度、軸承的剛度和阻尼。③速度適應(yīng)性：允許的最高轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速范圍，主要決定于軸承的結(jié)構(gòu)和潤(rùn)滑，以及散熱條件。
1.4 機(jī)床主軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
機(jī)床主軸指的是機(jī)床上帶動(dòng)工件或刀具旋轉(zhuǎn)的軸。通常由主軸、軸承和傳動(dòng)件（齒輪或帶輪）等組成主軸部件。除了刨床、拉床等主運(yùn)動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)床外，大多數(shù)機(jī)床都有主軸部件。機(jī)床主軸部件的運(yùn)動(dòng)精度和結(jié)構(gòu)剛度是決定加工質(zhì)量和切削效率的重要因素。衡量主軸部件性能的指標(biāo)主要是旋轉(zhuǎn)精度、剛度和速度適應(yīng)性。①旋轉(zhuǎn)精度：主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)在影響加工精度的方向上出現(xiàn)的徑向和軸向跳動(dòng)（見(jiàn)形位公差），主要決定于主軸和軸承的制造和裝配質(zhì)量。②動(dòng)、靜剛度：主要決定于主軸的彎曲剛度、軸承的剛度和阻尼。③速度適應(yīng)性：允許的最高轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速范圍，主要決定于軸承的結(jié)構(gòu)和潤(rùn)滑，以及散熱條件。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的機(jī)床主軸伸縮套是將花鍵套與凸緣叉焊接在一起，將花鍵軸焊在機(jī)床主軸管上。而GWB公司的機(jī)床主軸一改傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將花鍵套與機(jī)床主軸管焊接成一體，將花鍵軸與凸緣叉制成一體。并將矩形齒花鍵改成大壓力角漸開(kāi)線短齒花鍵，這樣既增加了強(qiáng)度又便于擠壓成形，適應(yīng)大轉(zhuǎn)矩工況的需要。在伸縮套管和花鍵軸的牙齒表面，整體涂浸了一層尼龍材料，不僅增加了耐磨性和自潤(rùn)滑性，而且減少了沖擊負(fù)荷對(duì)機(jī)床主軸的損害，提高了緩沖能力。
該型機(jī)床主軸在凸緣花鍵軸外增加了一個(gè)管形密封保護(hù)套，在該保護(hù)套端部設(shè)置了兩道聚氨酯橡膠油封，使伸縮套內(nèi)形成廠一個(gè)完全密封的空間，使伸縮花鍵軸不受外界沙塵的侵蝕，不僅防塵而且防銹。因此在裝配時(shí)在花鍵軸與套內(nèi)一次性涂抹潤(rùn)滑脂，就完全可以 滿足使用要求，不需要裝油嘴潤(rùn)滑，減少了保養(yǎng)內(nèi)容。
第2章 本課題任務(wù)和研究方法
2.1 課題任務(wù)
利用有限元軟件ANSYS10.0的結(jié)構(gòu)分析模塊對(duì)機(jī)床主軸進(jìn)行有限元分析。通過(guò)建立機(jī)床主軸的幾何模型、有限元模型，對(duì)分析模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，學(xué)會(huì)對(duì)有限元分析結(jié)果進(jìn)行分析和優(yōu)化。
2.2分析方法
選擇網(wǎng)格類(lèi)型、劃分網(wǎng)格
定義邊界條件、加載
創(chuàng)建模型
定義材料屬性、單元類(lèi)型
做結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析
獲取應(yīng)力分布
拾取應(yīng)變值
仿真分析
結(jié)束仿真
結(jié)束
改變實(shí)體參數(shù)
依照?qǐng)D示的此種方法對(duì)XK2001機(jī)床主軸進(jìn)行仿真分析。在分析XK2001機(jī)床主軸的應(yīng)力是需要注意的是右圖在劃分網(wǎng)格類(lèi)型和定義邊界條件中間所應(yīng)夾一接觸對(duì)的建立的方框，對(duì)于應(yīng)力仿真分析大致與右圖的分析方法一致。
2.3 本課題的研究方法
由于ANSYS自身的建模比較繁瑣，采用借助第三方3D設(shè)計(jì)軟件建立模型，然后導(dǎo)入到ANSYS分析，也是目前比較公認(rèn)的快捷方法。本課題借助PROE設(shè)計(jì)3D模型。
2.4 有限元方法介紹
2.4.1概述
在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)，對(duì)于許多力學(xué)問(wèn)題和物理問(wèn)題，人們已經(jīng)得到了它們遵循的基本方程（常微分方程或偏微分方程）和相應(yīng)的定解條件，但能用解析法得出精確解的只是少數(shù)方程性質(zhì)比較簡(jiǎn)單，且?guī)缀涡螤钕鄬?duì)規(guī)則的問(wèn)題，而對(duì)于大多數(shù)問(wèn)題，由于方程的某些非線性性質(zhì)的特征或求解區(qū)域幾何形狀的復(fù)雜，不能得到解析結(jié)果。部分問(wèn)題可以通過(guò)簡(jiǎn)化得到簡(jiǎn)化狀態(tài)下的解答，但過(guò)多的簡(jiǎn)化會(huì)導(dǎo)致解答誤差很大甚至完全錯(cuò)誤。因此，人們經(jīng)過(guò)多年來(lái)的尋找，建立和發(fā)展了另一種求解途徑和方法——數(shù)值解法。有限單元法就是其中得以廣泛應(yīng)用的一種。有限單元法是用于求解各類(lèi)工程實(shí)際問(wèn)題的方法。應(yīng)力分析中的穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)、線性、非線性的問(wèn)題以及熱力學(xué)、流體力學(xué)、電磁學(xué)和高速?zèng)_擊動(dòng)力學(xué)問(wèn)題都可以通過(guò)有限元方法得到解決。自從20世紀(jì)60年代CloPROEh第一次提出“有限單元法（或稱(chēng)有限元法）”這個(gè)名稱(chēng)以來(lái)，經(jīng)過(guò)40多年的發(fā)展，它如今已經(jīng)成為工程分析中應(yīng)用最廣泛的數(shù)值計(jì)算方法。由于它的通用性和有效性，受到工程技術(shù)界的高度重視，伴隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)的飛速發(fā)展，有限單元法現(xiàn)已成為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助制造的重要組成部分。
2.4.2 基本思想
數(shù)值分析的任務(wù)，就是從無(wú)限維空間轉(zhuǎn)化到有限維空間，把連續(xù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。有限元法是利用場(chǎng)函數(shù)分片多項(xiàng)式逼近模式來(lái)實(shí)現(xiàn)離散化過(guò)程的，也就是說(shuō)，有限元法依賴(lài)于這樣的有限維子空間，它的基函數(shù)系是具有微小支集的函數(shù)系，這樣的函數(shù)系與大范圍分析相結(jié)合，反映了場(chǎng)內(nèi)任何兩個(gè)局部地點(diǎn)場(chǎng)變量的相互依賴(lài)關(guān)系。任何一個(gè)局部地點(diǎn)，它的影響函數(shù)和影響區(qū)域，正是基函數(shù)本身和它的支集。在線性力學(xué)范疇里，場(chǎng)內(nèi)處于不同位置的力相互作用產(chǎn)生的能量可用雙線性泛函B(Φi, Φj)來(lái)表示，其中Φi, Φj正是相應(yīng)的點(diǎn)的基函數(shù)。B(Φi, Φj)的大小與Φi, Φj支集的交集大小有關(guān)，如果兩個(gè)支集的測(cè)度為零，則B(Φi, Φj)=0，因此，離散化所得到的方程的系數(shù)矩陣是稀疏的。若區(qū)域分割得愈細(xì)，則支集不相交的基函數(shù)對(duì)愈多，矩陣也就愈稀疏，這給數(shù)值解法帶來(lái)了極大的方便。
2.4.3特點(diǎn)
（1）物體離散化
將某個(gè)工程結(jié)構(gòu)離散為由各種單元組成的計(jì)算模型，這一步稱(chēng)為單元剖分。離散后單元與單元之間利用單元的節(jié)點(diǎn)相互連接起來(lái)，單元節(jié)點(diǎn)的設(shè)置、性質(zhì)、數(shù)目等應(yīng)視問(wèn)題的性質(zhì)，描述變形形態(tài)的需要和計(jì)算進(jìn)度而定（一般情況下，單元?jiǎng)澐衷郊?xì)則描述變形情況越精確，即越接近實(shí)際變形，但計(jì)算量也就越大。）所以有限元中分析的結(jié)構(gòu)已不是原有的物體或結(jié)構(gòu)體，而是由新材料的眾多單元以一定方式連接成的離散物體。因此，用有限元分析計(jì)算所獲得的結(jié)果只是近似值，但劃分單元數(shù)目非常多且合理，則所獲得的結(jié)果就與實(shí)際情況基本相符。
（2）單元特性分析
(a) 選擇位移模式
在有限元法中，選擇節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量時(shí)稱(chēng)為位移法；選擇節(jié)點(diǎn)力作為基本未知量時(shí)稱(chēng)為力法；取一部分節(jié)點(diǎn)力和一部分節(jié)點(diǎn)位移作為基本未知量時(shí)稱(chēng)為混合法。位移法易于實(shí)現(xiàn)計(jì)算自動(dòng)化，所以在有限元法中位移法應(yīng)用范圍最廣。當(dāng)采用位移法時(shí)，物體和結(jié)構(gòu)體在離散化之后，就可以把單元中的一些物理量，如位移、應(yīng)變和應(yīng)力等用節(jié)點(diǎn)位移來(lái)表示，這時(shí)可以對(duì)單元中位移的分布采用一些能逼近原函數(shù)的近似函數(shù)予以描述。通常，有限元法就將位移表示為坐標(biāo)變量的簡(jiǎn)單函數(shù)，這種函數(shù)稱(chēng)為位移模式或位移函數(shù)。
(b) 分析單元的力學(xué)性質(zhì)
根據(jù)單元的材料性質(zhì)、形狀、尺寸、節(jié)點(diǎn)數(shù)目、位置及其含義等，找出單元節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移的關(guān)系式，這是單元分析中的關(guān)鍵一步。此時(shí)需要應(yīng)用彈性力學(xué)中的幾何方程和物理方程來(lái)建立力和位移的方程式，從而導(dǎo)出單元?jiǎng)偠染仃?，這是有限元法的基本步驟之一。
(c) 計(jì)算等效節(jié)點(diǎn)力
物體離散化后，假定力是通過(guò)節(jié)點(diǎn)從一個(gè)單元傳遞到另一個(gè)單元，但是對(duì)于實(shí)際的連續(xù)體，力是從單元的公共邊傳遞到另一個(gè)單元中去的。因而，這種作用在單元邊界上的表面力、體積力和集中力都需要等效地移到節(jié)點(diǎn)上去，也就是用等效的節(jié)點(diǎn)力來(lái)代替所有作用在單元上的力。
(3) 單元組集
利用結(jié)構(gòu)力的平衡條件和邊界條件把各個(gè)單元按原來(lái)的結(jié)構(gòu)重新連接起來(lái)，形成整體的有限元方程：
K*q=f
其中：K是整體結(jié)構(gòu)的剛度矩陣；q是節(jié)點(diǎn)位移列陣；f是載荷列陣。
(4) 求解未知節(jié)點(diǎn)位移
求解有限元方程式可以得出位移。這里，可以根據(jù)方程組的具體特點(diǎn)來(lái)選擇合適的計(jì)算方法。通過(guò)上述分析可以看出，有限元的基本思想是“一分一合”，分是為了進(jìn)行單元分析，合則是為了對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析。
2.5 ANSYS軟件簡(jiǎn)介
ANSYS軟件是融合結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁場(chǎng)、聲場(chǎng)和耦合場(chǎng)分析與一體的大型通用有限元分析(FEA)軟件。它是由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國(guó)ANSYS公司開(kāi)發(fā)的，并能與多數(shù)CAD軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor、I-DEAS、AutoCAD等，是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的高級(jí)CAD工具之一。ANSYS軟件是第一個(gè)通過(guò)ISO9001質(zhì)量認(rèn)證的大型分析設(shè)計(jì)類(lèi)軟件，是美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)ASME、美國(guó)核安全局NQA及近20種專(zhuān)業(yè)技術(shù)協(xié)會(huì)認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)分析軟件。在國(guó)內(nèi)，它第一個(gè)通過(guò)了中國(guó)壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)認(rèn)證并在國(guó)務(wù)院17個(gè)部委推廣使用。
ANSYS軟件主要包括三部分：前處理模塊、分析計(jì)算模塊和后處理模塊。前處理模塊Preprocessor、分析計(jì)算模塊Solution、后處理模塊Postprocessor。前處理模塊Preprocessor提供了一個(gè)強(qiáng)大的實(shí)體建模和網(wǎng)格劃分工具，用戶可以方便地構(gòu)造有限元模型；分析計(jì)算模塊Solution包括結(jié)構(gòu)分析、流體力學(xué)分析、電磁場(chǎng)分析、聲場(chǎng)分析。壓電分析及多物理場(chǎng)的耦合分析，可模擬多重物理介質(zhì)的相互作用，具有靈敏度分析和優(yōu)化分析能力；后處理模塊Postprocessor可將計(jì)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(lái)。
第3章 XK2001機(jī)床主軸組件理論設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1主軸主要參數(shù)的計(jì)算
主軸的主要參數(shù)是：主軸前端直徑D1，主軸內(nèi)徑d。主軸懸伸量a和主軸支撐跨距L。
3.1.1主軸前端直徑D1
主軸D1（按電機(jī)功率）如下表5-1（mm）：
功率（kw）
D1
機(jī)床
1.4～2.5
2～3.5
3～5.5
5～7.3
7.4～11
車(chē)床
60～80
70～90
70～105
95～130
110～145
銑床及加工中心
50～90
60～90
60～95
75～100
90～105
外圓磨床
——
50～60
55～70
70～80
75～90
表5-1
車(chē)床、銑床、鏜床、加工中心等機(jī)床因裝配的需要，主軸直徑常是自前往后逐漸減小的。前軸頸直徑D1大于后軸直徑D2。對(duì)于車(chē)、銑床一般，由上表可取D1=110mm。
因此可知由式子
后端直徑
圓整后
3.1.2主軸內(nèi)徑 d
主軸內(nèi)孔徑與機(jī)床類(lèi)型有關(guān)，主要用來(lái)通過(guò)棒料、鏜桿、拉桿或頂尖。確定內(nèi)孔徑原則是為減輕主軸重量，在滿足對(duì)空心主軸孔徑要求和最小壁厚要求下，應(yīng)取最大值。
主軸的內(nèi)徑是通過(guò)刀具夾具裝置固定刀具、傳動(dòng)氣動(dòng)或液壓卡盤(pán)等。主軸孔徑越大，主軸部件的相對(duì)重量就越輕。主軸的孔徑大小主要受主軸剛度的制約。主軸的孔徑與主軸直徑之比，小于0.3時(shí)空心主軸的剛度幾乎與實(shí)心主軸相等；等于0.5時(shí)空心主軸的剛度為實(shí)心主軸的90%；大于0.7時(shí)，空心主軸的剛度就急劇下降。一般可取其比值為0.5左右。
主軸本身剛度K正比于抗彎斷面慣性矩I
由式子可知取孔徑的直徑極限為
此時(shí)若孔徑再大，剛度急劇下降
根據(jù)推薦值
取 ，d1=55 mm
3.1.3主軸前端懸伸量a確定
圖3-1
主軸懸伸量指主軸前端面到前支承徑向反力作用中點(diǎn)（一般即為前徑支撐中點(diǎn)）的距離，參考（1）表3.1-45，它主要取決于主軸前端部結(jié)構(gòu)形式和尺寸，前支撐軸承配置和密封等。因此主要由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定。
懸伸量與主軸部件的剛度及抗振性成反比，故應(yīng)盡量取小值。
E---材料的彈性模量
I---軸慣性距
--前剛度值 --后剛度值
初選a值可參考下表5-2確定
車(chē)床和主軸類(lèi)型
精密車(chē)床、自動(dòng)車(chē)床用滾動(dòng)軸承支承，適用高精度和普通精度要求
0.6—1.5
中等長(zhǎng)度和較長(zhǎng)主軸端的車(chē)床和銑床，懸伸不太長(zhǎng)（不是細(xì)長(zhǎng)）的精密鏜床和內(nèi)圓磨床，用滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承支承適用于絕大部分普通生產(chǎn)要求
1.25—2.5
表3-2
計(jì)算得懸伸量為80mm
3.1.4 主軸跨距的確定
主軸跨距是決定主軸系統(tǒng)動(dòng)靜剛度的重要影響因素，目的是找出在切削力作用下，主軸前端的柔度值最小的跨距稱(chēng)為最優(yōu)跨距（）。實(shí)驗(yàn)證明，動(dòng)態(tài)作用下最優(yōu)跨距很接近于推得最優(yōu)值，因此設(shè)計(jì)時(shí)盡量達(dá)到最優(yōu)值。
前端角接觸球軸承的剛度（主要為軸向剛度）
其中：
內(nèi)徑為110mm,查參考（2）表4.3-5
查軸承樣本額定動(dòng)載荷
取
計(jì)算得主軸跨距為300mm
3.2 軸的剛度計(jì)算
如果主軸前后軸承由數(shù)段組成，則當(dāng)量直徑
（mm） （參考文獻(xiàn)2）
式中 、、、、…、、——分別為各段的直徑和長(zhǎng)度（㎜）；
——總長(zhǎng)，
如果前后軸承的直徑相差不大，也可把前后軸承直徑的平均值近似地作為當(dāng)量直徑d。
主軸的前懸伸部分較粗，剛度較高，其變形可以忽略不記，后懸伸部分不影響剛度，也可不計(jì)算。如主軸前端作用一外載荷F如下圖（參考文獻(xiàn)3）
圖3-2 主軸組件計(jì)算模型
則撓度：
（參考文獻(xiàn)2）
式中 F——外載荷（N）；
a——前懸伸，等于載荷作用點(diǎn)至前支承點(diǎn)間的距離（mm）；
l——跨距，等于前后支承的距離（mm）；
E——彈性模量，鋼的 ；
I——截面慣性距, ；
——主軸的外徑和孔徑（mm）。
又因?yàn)椋椎挠绊懣梢院雎杂纱丝傻弥鬏S剛度滿足要求。
3.3 軸承的選型
主軸軸承是主軸組件的重要組成部分，它的類(lèi)型、結(jié)構(gòu)、配置、精度、安裝、調(diào)整、潤(rùn)滑和冷卻都直接影響了主軸組件的工作性能。在數(shù)控機(jī)床上主軸軸承常用的有滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承。
滾動(dòng)軸承摩擦阻力小，可以預(yù)緊，潤(rùn)滑維護(hù)簡(jiǎn)單，能在一定的轉(zhuǎn)速范圍和載荷變動(dòng)范圍下穩(wěn)定地工作。滾動(dòng)軸承有專(zhuān)業(yè)化工廠生產(chǎn)，選購(gòu)維修方便，在數(shù)控機(jī)床上被廣泛采用。與滑動(dòng)軸承相比，滾動(dòng)軸承的噪聲大，滾動(dòng)體的數(shù)目有限，剛度是變化的，抗震性略差，但總體來(lái)說(shuō)，數(shù)控機(jī)床主軸組件在可能的條件下，應(yīng)盡量使用滾動(dòng)軸承，特別是大多數(shù)立式主軸和主軸在套筒內(nèi)能夠做軸向移動(dòng)的主軸。這時(shí)用滾動(dòng)軸承可以用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑，以避免漏油。滾動(dòng)軸承根據(jù)滾動(dòng)體的結(jié)構(gòu)分為球軸承、圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承三大類(lèi)。
主軸軸承主要應(yīng)根據(jù)精度、剛度和轉(zhuǎn)速來(lái)選擇，為了提高精度和剛度，主軸軸承間的間隙應(yīng)該是可調(diào)的。線接觸的滾子軸承比點(diǎn)接觸的球軸承的剛度高，但一定溫升下允許的轉(zhuǎn)速較低，下面就簡(jiǎn)述幾種常用的數(shù)控機(jī)床主軸的機(jī)構(gòu)及適用范圍。
3.3.1角接觸球軸承
這種軸承既可以承受徑向載荷又可以承受軸向載荷。常用的接觸角主要有兩種： ａ=25°，ａ=15°，其中ａ=25°的編號(hào)為7000AC型（舊代號(hào)為46100型），屬于特輕型；或編號(hào)為7190AC型（舊代號(hào)為46900型），屬于超輕型。ａ=15°的編號(hào)為7000C型（舊代號(hào)為36100型），屬于特輕型；或編號(hào)為7190C型；或編號(hào)為7190C型（舊代號(hào)為1036900型），屬于超輕型。如圖3-1所示（參考文獻(xiàn)2）
圖3-1角接觸球軸承
角接觸球軸承多用于高速主軸，隨接觸角的不同，其應(yīng)用有所區(qū)別，α=25°的軸向剛度較高，但徑向剛度和允許的轉(zhuǎn)速略低，多用于車(chē)、鏜、銑加工中心等主軸；α=15°的轉(zhuǎn)速可更高一些，但是軸向剛度較低，常用于軸向載荷較小、轉(zhuǎn)速較高的磨床主軸或不承受載荷的車(chē)、鏜、銑主軸后軸承。
圖3-2角接觸球軸承
這種軸承為點(diǎn)接觸，剛度較低。為了提高剛度和承載能力，常用多聯(lián)組配的方法。所以本設(shè)計(jì)前支承采用雙聯(lián)組配的方式，代號(hào)為DF。
3.3.2 圓柱滾子軸承
圖3-3為雙列圓柱滾子軸承（參考文獻(xiàn)2），他的特點(diǎn)是內(nèi)孔為1：12的錐孔，與主軸的錐行軸徑相配合。軸向移動(dòng)為內(nèi)圈，可把內(nèi)圈脹大，以消除徑向間隙或預(yù)緊，這種軸承只能承受徑向載荷。
圖 3-3雙列圓柱滾子軸承
3.3.3圓錐滾子軸承
圓錐滾子軸承既能承受徑向載荷，又能承受雙向的軸向載荷，滾子數(shù)量大，故剛度和承載能力均較大。由于圓錐滾子軸承是外緣凸肩軸向定位，因而箱體上通孔加工方便，但缺點(diǎn)是滾子大端的端面與內(nèi)圈擋邊之間為滑動(dòng)摩擦，發(fā)熱較大，故允許的極限轉(zhuǎn)速較低。
3.3.4 深溝球軸承
這種軸承只能承受徑向載荷，軸向載荷則由配套的推力軸承承受。此種軸承一般不能調(diào)整，常用于精度要求和剛度要求不太高的地方。
在本設(shè)計(jì)中，前軸承采用角接觸球軸承以適應(yīng)較高速的要求。主軸軸向載荷較大，故選用接觸角的軸承。軸向力的方向是從軸頭部指向尾部，故前軸承采用三聯(lián)組配，前兩軸承同向都面朝前，共同承擔(dān)軸向載荷。后一軸承與前兩軸承背靠背，以實(shí)現(xiàn)預(yù)緊。后支承的載荷較大，因此采用雙列圓柱滾子軸承。這種軸承的外圈是可以分離的，主軸熱膨脹時(shí)，可連同軸承內(nèi)圈的滾子在外圈滾道上軸向移動(dòng)。后軸承直徑比前軸承小，預(yù)緊力也小，因此溫升不致超過(guò)前軸承。
3.4 軸承間隙調(diào)整和預(yù)緊
主軸軸承的內(nèi)部間隙，必須能夠調(diào)整。多數(shù)軸承，還應(yīng)能夠在過(guò)盈狀態(tài)下工作，使?jié)L動(dòng)體和滾道之間有一定的欲變形，這就是軸承的預(yù)緊。
軸承預(yù)緊后，內(nèi)部無(wú)間隙，滾動(dòng)體從各個(gè)方向支承主軸，有利于提高運(yùn)動(dòng)精度。滾動(dòng)體的直徑不可能絕對(duì)相等，滾道也不可能絕對(duì)正圓，因而預(yù)緊前只有部分滾動(dòng)體和滾道接觸。預(yù)緊后，滾動(dòng)體和滾道都有了一定的變形，參加工作的滾動(dòng)體將更多，各滾動(dòng)體的受力將更均勻。這都有利于提高軸承的精度、剛度和壽命。如主軸產(chǎn)生振動(dòng)，則由于各個(gè)方向都有滾動(dòng)體支承，可以提高抗振性。但是，預(yù)緊后發(fā)熱較多，溫升較高；且太大的預(yù)緊將使軸承的壽命降低，故預(yù)緊要適當(dāng)。本設(shè)計(jì)為數(shù)控車(chē)床的主軸組件設(shè)計(jì)，功率相對(duì)較小，所以取中預(yù)緊。
3.5 主軸組件的剛度和剛度損失的計(jì)算
最佳跨距的確定：
取彈性模量E=N/， D=（90+65）/2=77.5mm；
主軸截面慣距：
截面面積；A=3459.9
主軸最大輸出轉(zhuǎn)矩：
故總切削力為：
估算時(shí)，暫取即取270mm
前后支承支反力
取=1033000N/mm
則
則=225mm
當(dāng)量切削力的計(jì)算：
P=（a=B）/a＝3639對(duì)于車(chē)床 B=0.4=160mm
則水平面內(nèi)：
垂直面內(nèi)：
主軸端部的撓度計(jì)算：
，
傳動(dòng)力的作用下，主軸端位移的計(jì)算公式見(jiàn)下式：
式中：“－”號(hào)表示位移方向上與力反向，b表示齒輪與前支承的距離，c表示齒輪與后支承的距離，將各值帶入，得
水平面內(nèi)：
垂直面內(nèi)：
則主軸最大端位移為：
已知主軸最大端位移許用值為＝0.0002L＝0.09mm
則<，符合要求。
主軸傾角的驗(yàn)算：
在切削力p的作用下主軸前軸承處的傾角為：
水平面：
垂直面內(nèi)：
傳動(dòng)力Q作用下主軸傾角為：
水平面內(nèi)：rad
垂直面內(nèi)：rad
則主軸前軸承處的角為
垂直面內(nèi)： rad
故符合要求。
3.6 軸承的校核
齒輪受切向力
徑向力：；切削力F=1310N，徑向切削力
軸向切削力， 轉(zhuǎn)速n=4000r/min d=90mm
垂直面內(nèi)的受力分析：
水平面內(nèi)的受力分析：
故合力：
求兩軸承的軸向力:對(duì)70000AC型軸承
兩次計(jì)算的差值不大，因此，確定，
當(dāng)量動(dòng)載荷：
對(duì)兩軸承取X=1，Y=0；
X=1，Y=0；
由載荷性質(zhì)，輕載有沖擊故取
當(dāng)量載荷：
。
因?yàn)樗钥芍鋲勖?
軸承也符合剛度要求。
3.7 主軸組件的潤(rùn)滑和密封
3.7.1主軸滾動(dòng)軸承的潤(rùn)滑
潤(rùn)滑的作用是減少摩擦、降低溫升并與密封裝置一起保護(hù)軸承不受外物的損傷與腐蝕。潤(rùn)滑劑和潤(rùn)滑方式?jīng)Q定于軸承的類(lèi)型、速度和工作負(fù)荷。如果選擇合適，可以降低軸承的工作溫度和延長(zhǎng)使用壽命。
滾動(dòng)軸承可以用潤(rùn)滑脂或潤(rùn)滑油潤(rùn)滑。在速度較低時(shí)，用潤(rùn)滑脂比用潤(rùn)滑油溫升低；速度較高時(shí)，用油潤(rùn)滑較好。
3.7.2脂潤(rùn)滑
脂潤(rùn)滑使用方便，不需要供油管路和系統(tǒng)，沒(méi)有漏油問(wèn)題。如果轉(zhuǎn)速不太高（數(shù)值可查軸承樣本），滾動(dòng)軸承應(yīng)盡量采用脂潤(rùn)滑，特別是立式主軸或裝在套筒內(nèi)可以伸縮的主軸（如鉆床、坐標(biāo)鏜床、加工中心等的主軸）。
潤(rùn)滑脂使用期限長(zhǎng)，如果轉(zhuǎn)速不超極限值，一次充填可使用2000h以上。只要密封良好，不讓灰塵、油污進(jìn)入軸承，一次充填可一直用到大修時(shí)才更換，中間不需填充。
潤(rùn)滑脂填充量不宜過(guò)多，尤其不能填滿軸承空間。否則將引起過(guò)多的發(fā)熱，并油可能使脂熔化流出。
3.7.3 油潤(rùn)滑
潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承所需的油量很少，約每分鐘1～5滴。若油量增大，則由于攪拌作用會(huì)使溫度升高。油量增加過(guò)大，則冷卻作用為主，溫度會(huì)下降，但能耗卻加大了。常用油的粘度為12mm/s～30mm/s(40C時(shí))。
高速主軸（如角接觸球軸承n106mm·r/min），發(fā)熱較多。為控制其溫升，希望潤(rùn)滑時(shí)兼起冷卻的作用。采用油潤(rùn)滑，用空氣冷卻的方法。常用油霧和油氣潤(rùn)滑。
由于主軸前端采用了角接觸球軸承，速度較高，致使發(fā)熱較多，所以采用油潤(rùn)滑，在潤(rùn)滑時(shí)也起冷卻的作用。后端采用的是曲路（迷宮）密封為防止油液外漏，用脂潤(rùn)滑雙列圓柱滾子軸承。
3.7.4 主軸組件的密封
主軸組件密封主要是防止油外泄和塵埃、屑末進(jìn)入。密封的類(lèi)型很多，兩個(gè)具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的結(jié)合面之間必然有間隙，它們之間的密封稱(chēng)為動(dòng)密封。兩個(gè)相對(duì)靜止不動(dòng)的結(jié)合面之間的密封稱(chēng)為靜密封。靜密封有研磨面密封、墊片密封、密封膠密封等。
在本設(shè)計(jì)中軸承端蓋與箱體之間的密封屬于靜密封，采用紙封油墊配合緊定螺釘進(jìn)行密封，之所以采用此種密封是由于研磨面密封適用與結(jié)合面加工平整、光潔，但本設(shè)計(jì)箱體為鑄造，不合適；而密封膠密封又不便端蓋拆卸。
前、后端軸承端蓋通孔和軸之間的密封屬于動(dòng)密封。前端軸承為角接觸球軸承，轉(zhuǎn)速較高，采用油潤(rùn)滑，為防止油液甩出，此處采用了氈圈油封；后端軸承用脂潤(rùn)滑，此處用迷宮式密封，利用其節(jié)流的作用達(dá)到密封的效果，且間隙中充滿著潤(rùn)滑脂，密封效果更好。
第4章 確定機(jī)床主軸研究對(duì)象和PROE建模
4.1確定機(jī)床主軸研究對(duì)象概述
葉片作為曲面類(lèi)零件的典型代表，其加工工藝可以作為曲面類(lèi)零件加工工藝的參考，在銑削葉盆，葉背等部分時(shí)，用到數(shù)控銑床，在銑削過(guò)程中，機(jī)床主軸組件對(duì)加工質(zhì)量影響巨大，該課題通過(guò)建立銑床主軸的裝配模型，并進(jìn)行機(jī)床工程分析，獲取主軸組件的最大變形量與切削深度的關(guān)系，通過(guò)分析主軸組件的頻譜，分析該型機(jī)床在加工中的轉(zhuǎn)速與粗糙度的關(guān)系，為加工出符合輪廓度和粗糙度要求的葉片提供轉(zhuǎn)速和進(jìn)刀量參考值。
4.2 主軸建模
單擊工具欄中的按鈕，進(jìn)入【旋轉(zhuǎn)】操控面板，單擊按鈕，接著在操控面板中單擊【放置】/【定義】按鈕，系統(tǒng)彈出【草繪】對(duì)話框，選中【TOP基準(zhǔn)平面】作為草繪平面，選擇RIGHT基準(zhǔn)平面作為參照平面。單擊【草繪】對(duì)話框中的“草繪”按鈕進(jìn)入草繪界面。
在草繪界面在繪制如圖所示的草繪截面圖。單擊按鈕完成草繪。退出草繪界面后，在【旋轉(zhuǎn)】操控面板中單擊按鈕進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，在文本框中輸入角度距離為360。單擊按鈕完成操作，完成后效果如圖所示。
4.3 軸承建模
單擊工具欄中的按鈕，進(jìn)入【旋轉(zhuǎn)】操控面板，單擊按鈕，接著在操控面板中單擊【放置】/【定義】按鈕，系統(tǒng)彈出【草繪】對(duì)話框，選中【TOP基準(zhǔn)平面】作為草繪平面，選擇RIGHT基準(zhǔn)平面作為參照平面。單擊【草繪】對(duì)話框中的“草繪”按鈕進(jìn)入草繪界面。
在草繪界面在繪制如圖所示的草繪截面圖。單擊按鈕完成草繪。退出草繪界面后，在【旋轉(zhuǎn)】操控面板中單擊按鈕進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，在文本框中輸入角度距離為360。單擊按鈕完成操作，完成后效果如圖所示。
4.4 圓螺母建模
單擊工具欄中的按鈕，進(jìn)入【旋轉(zhuǎn)】操控面板，單擊按鈕，接著在操控面板中單擊【放置】/【定義】按鈕，系統(tǒng)彈出【草繪】對(duì)話框，選中【TOP基準(zhǔn)平面】作為草繪平面，選擇RIGHT基準(zhǔn)平面作為參照平面。單擊【草繪】對(duì)話框中的“草繪”按鈕進(jìn)入草繪界面。
在草繪界面在繪制如圖所示的草繪截面圖。單擊按鈕完成草繪。退出草繪界面后，在【旋轉(zhuǎn)】操控面板中單擊按鈕進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，在文本框中輸入角度距離為360。單擊按鈕完成操作，完成后效果如圖所示。
4.5 齒輪建模
單擊工具欄中的按鈕，進(jìn)入【旋轉(zhuǎn)】操控面板，單擊按鈕，接著在操控面板中單擊【放置】/【定義】按鈕，系統(tǒng)彈出【草繪】對(duì)話框，選中【TOP基準(zhǔn)平面】作為草繪平面，選擇RIGHT基準(zhǔn)平面作為參照平面。單擊【草繪】對(duì)話框中的“草繪”按鈕進(jìn)入草繪界面。
在草繪界面在繪制如圖所示的草繪截面圖。單擊按鈕完成草繪。退出草繪界面后，在【旋轉(zhuǎn)】操控面板中單擊按鈕進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，在文本框中輸入角度距離為360。單擊按鈕完成操作，完成后效果如圖所示。
4.6 其他附件建模
單擊工具欄中的按鈕，進(jìn)入【旋轉(zhuǎn)】操控面板，單擊按鈕，接著在操控面板中單擊【放置】/【定義】按鈕，系統(tǒng)彈出【草繪】對(duì)話框，選中【TOP基準(zhǔn)平面】作為草繪平面，選擇RIGHT基準(zhǔn)平面作為參照平面。單擊【草繪】對(duì)話框中的“草繪”按鈕進(jìn)入草繪界面。
在草繪界面在繪制如圖所示的草繪截面圖。單擊按鈕完成草繪。退出草繪界面后，在【旋轉(zhuǎn)】操控面板中單擊按鈕進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，在文本框中輸入角度距離為360。單擊按鈕完成操作，完成后效果如圖所示。
第5章 機(jī)床主軸的有限元分析
5.1有限元分析的基本步驟
預(yù)處理階段：
（1）建立求解域并將之離散化成有限元，即將問(wèn)題分解成節(jié)點(diǎn)和單元。
（2）假設(shè)代表單元物理行為的形函數(shù)，即假設(shè)代表單元解的近似連續(xù)函數(shù)。
（3）對(duì)單元建立方程。
（4）將單元組合成總體的問(wèn)題，構(gòu)造總體剛度矩陣。
（5）應(yīng)用邊界條件、初值條件和負(fù)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(diǎn)的值。
后處理階段：
（7）得到其他重要的信息。
5.2 有限元分析過(guò)程與步驟
5.2.1 轉(zhuǎn)換模型格式
需要把PROE的模型轉(zhuǎn)化為ANSYS可以讀取的方式。選擇保存方式為*.x_t格式的文件。
1、從程序中啟動(dòng)ANSYS10.0的界面。
2、打開(kāi)ANSYS窗口。
3、ANSYS分析目錄一旦設(shè)定好，以后ANSYS軟件操作所產(chǎn)生的所有文件都將存放在此目錄下，建議對(duì)不同的分析用不同的工作目錄，這樣可確保每次分析所產(chǎn)生的文件不會(huì)覆蓋的危險(xiǎn)。如果沒(méi)有指定工作目錄，默認(rèn)的工作目錄為系統(tǒng)所在盤(pán)的根目錄。工作目錄設(shè)置方式有兩種：
l 在進(jìn)入ANSYS軟件之前通過(guò)入口選項(xiàng)所進(jìn)行的設(shè)置；
l 進(jìn)入ANSYS軟件后，可通過(guò)如下方法實(shí)現(xiàn)：
? 命令方式：在命令輸入窗口中輸入/CWD, DIRPATH（重新指定的工作目錄）；
? GUI方式：Utility Menu>Change Directory，在彈出的對(duì)話框中填入指定的工作目錄，單擊【確定】按鈕。如圖所示。
4、調(diào)入我們剛才保存的*.x_t文件。
5.2.2 具體分析操作設(shè)置
5、建立結(jié)構(gòu)分析模式。命令方式：/KEYW（重新指定的分析標(biāo)題）；
GUI方式：Main Menu>Preference，在彈出的如圖2.14所示的對(duì)話框中框中選取某個(gè)選項(xiàng)使以后出現(xiàn)的圖形界面中過(guò)濾掉與選定分析選項(xiàng)無(wú)關(guān)模塊的內(nèi)容，本書(shū)主要講述結(jié)構(gòu)分析，因此選取Structural(結(jié)構(gòu))
6、選取和定義單元.下面將給出添加單元類(lèi)型具體的GUI操作路徑，對(duì)于單元的選項(xiàng)，由于和具體的單元類(lèi)型有關(guān)，在這里將不做具體的介紹。此處以添加PLANE42單元作為例子來(lái)介紹添加單元的操作步驟。
具體操作步驟如下：
依次選擇Main Menu>Preprocessor>Element Type>Add/Edit/Delete命令，彈出Element Types(單元類(lèi)型)對(duì)話框，如圖所示。
如果想改變單元的其他輸入選項(xiàng)（即上文提及的KEYOPTs）單擊【Options…】按鈕。出現(xiàn)如圖所示的element type options（單元類(lèi)型選項(xiàng)）對(duì)話框。
確定后單擊【OK】按鈕，如有需要了解各設(shè)置的具體說(shuō)明，可查看ANSYS幫助文件。
返回到如圖所示的對(duì)話框后單擊【Close】按鈕，結(jié)束單元類(lèi)型的添加。
7、定義材料屬性
單擊Main>Preprocessor>Material Props>Material Models彈出定義材料屬性對(duì)話框如圖所示，填入EX： 2.06e5、PRXY：0.3，在Structural下單擊Friction Coefficient彈出如圖所示對(duì)話框，填入Mu：0.3.，至此材料屬性定義完成，下一步進(jìn)入網(wǎng)格劃分。
8、網(wǎng)格劃分
實(shí)體建模的最終目的劃分網(wǎng)格以生成節(jié)點(diǎn)和單元，生成節(jié)點(diǎn)和單元的網(wǎng)格劃分過(guò)程分為兩個(gè)步驟：（1）定義單元屬性；（2）定義網(wǎng)格生成控制并生成網(wǎng)格。
5.2.3 具體分析操作設(shè)置
固定約束類(lèi)型
固定約束類(lèi)型
固定約束類(lèi)型（放大觀看）
固定約束類(lèi)型
固定約束類(lèi)型
固定約束類(lèi)型（另一端）
固定約束類(lèi)型（放大）
施加力載荷
5.2.4分析與求解過(guò)程
求解結(jié)果提示。
5.2.5后處理過(guò)程
位移圖解
通過(guò)圖解查看變形受力狀況 很清晰的反映了啊
通過(guò)圖解發(fā)現(xiàn)圖示的齒輪受力部分的位移最大
通過(guò)圖解發(fā)現(xiàn)圖示的齒輪受力部分的應(yīng)力密度最大
通過(guò)圖解發(fā)現(xiàn)圖示的齒輪受力部分的應(yīng)力密度最大
第六章 總結(jié)和機(jī)床主軸的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析
本文通過(guò)對(duì)機(jī)床主軸精確建模，進(jìn)而進(jìn)行接觸應(yīng)力和彎曲應(yīng)力分析，得出如下結(jié)論：
通過(guò)應(yīng)力云圖可以看出機(jī)床主軸在中心部位處屬于應(yīng)力集中，最容易發(fā)生破壞。中心部位應(yīng)該加工，也說(shuō)明中間部位材料比較厚實(shí)的正確性和合理性質(zhì)。
從而也證明了在ANSYS中進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析的正確性，從而可以大大減少試驗(yàn)費(fèi)用，降低成本，為機(jī)床主軸的優(yōu)化設(shè)計(jì)和可靠性設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的的基礎(chǔ)，進(jìn)而可以優(yōu)化結(jié)構(gòu)、齒或者優(yōu)化材料和工藝，最終實(shí)現(xiàn)齒輪結(jié)構(gòu)、材料和工藝的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。
XK2001機(jī)床主軸組件建模與工程分析設(shè)計(jì)
結(jié)論
對(duì)于本次設(shè)計(jì)的機(jī)床主軸來(lái)說(shuō)，其特點(diǎn)是：扭矩變化范圍大可以滿足不同的工況要求，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于生產(chǎn)、使用和維修，價(jià)格低廉，而且采用結(jié)合套掛擋，可以使變速器掛擋平穩(wěn)，噪聲降低，輪齒不易損壞。在設(shè)計(jì)中通過(guò)較大的變速器傳動(dòng)比變化范圍，可以滿足在不同的工況下的要求，從而達(dá)到其經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性的要求；變速器掛檔時(shí)用結(jié)合套，雖然增加了成本，但是使變速器操縱舒適度增加，齒輪傳動(dòng)更平穩(wěn)。本著實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性的原則，在各部件的設(shè)計(jì)要求上都采用比較開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)，因此，安全系數(shù)不高，這一點(diǎn)是本次設(shè)計(jì)的不理想之處。但是，在以后的工作和學(xué)習(xí)中，我會(huì)繼續(xù)學(xué)習(xí)和研究變速器技術(shù)，以求其設(shè)計(jì)更加合理和經(jīng)濟(jì)。
緊張忙碌的畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲，這次設(shè)計(jì)是對(duì)我大學(xué)四年來(lái)的學(xué)習(xí)的一次最綜合的檢驗(yàn)，也更是一次綜合的學(xué)習(xí)過(guò)程。畢業(yè)設(shè)計(jì)不僅使我學(xué)習(xí)和鞏固了專(zhuān)業(yè)課知識(shí)而且了解了不少相關(guān)專(zhuān)業(yè)的知識(shí)，個(gè)人能力得到很大提高。同時(shí)也鍛煉了與人協(xié)作的精神，為以后我踏入社會(huì)工作打下了良好的基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)
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[12] 劉惟信.設(shè)計(jì).北京：清華大學(xué)出版社，2001：158～200
致 謝
畢業(yè)設(shè)計(jì)是將大學(xué)所學(xué)的知識(shí)融合在一起，綜合運(yùn)用所有的相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)，是課本知識(shí)在實(shí)際中的應(yīng)用。通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我的專(zhuān)業(yè)知識(shí)在原有的基礎(chǔ)上得到更加的鞏固和提高，這離不開(kāi)老師和同學(xué)們的幫助。本設(shè)計(jì)分析是在老師的指導(dǎo)下完成的，在分析的過(guò)程中，尹長(zhǎng)城老師給了我很大的鼓勵(lì)，在設(shè)計(jì)分析中引導(dǎo)我去思考了更多的設(shè)計(jì)思路，增強(qiáng)了我的學(xué)習(xí)能力，與我們一起討論問(wèn)題，使我對(duì)分析有了更清晰明確的認(rèn)識(shí)，使我受益非淺。
畢業(yè)設(shè)計(jì)是我們專(zhuān)業(yè)知識(shí)綜合應(yīng)用的實(shí)踐訓(xùn)練，這是我們邁向社會(huì)、從事職業(yè)工作前一個(gè)必不可少的過(guò)程。“千里之行始于足下”，通過(guò)這次課程設(shè)計(jì)，我深深體會(huì)到這句千古言的真正含義。我今天認(rèn)真地進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，學(xué)會(huì)腳踏實(shí)地地邁開(kāi)這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會(huì)大潮中奔跑打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
說(shuō)實(shí)話，畢業(yè)設(shè)計(jì)真是有點(diǎn)累。然而一著手清理自己的設(shè)計(jì)結(jié)果，仔細(xì)回味畢業(yè)設(shè)計(jì)的心路歷程，一種少有的成功喜悅即刻使我倦意頓消。雖然這是我剛學(xué)會(huì)走完的第一部，是我人生中的一點(diǎn)小小的勝利，然而它令我感到自己成熟了許多。
通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我深深體會(huì)到，干任何事都必須耐心、細(xì)致。課程設(shè)計(jì)過(guò)程中，許多計(jì)算有時(shí)不免令我感到有些心煩意亂；有時(shí)應(yīng)為不小心計(jì)算出錯(cuò)，只能毫不留情地重做。但一想起老師平時(shí)多耐心的教導(dǎo)，想到今后自己應(yīng)當(dāng)承擔(dān)的社會(huì)責(zé)任，想到世界上因?yàn)槟承┘?xì)小失誤而出現(xiàn)的令世人無(wú)比震驚的事故，我不禁時(shí)刻提醒自己，一定要養(yǎng)成一種高度負(fù)責(zé)、一絲不茍的良好習(xí)慣。
經(jīng)歷了畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我我發(fā)現(xiàn)了自己所掌握的知識(shí)是真正的貧乏，自己綜合運(yùn)用所學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的能力是如此的不足，幾年來(lái)學(xué)習(xí)了那么多的課程，今天才知道自己并不會(huì)用。想到這里，我真的有點(diǎn)心急了。
由于畢業(yè)時(shí)間的倉(cāng)促，很多本來(lái)應(yīng)該弄懂弄透的地方都沒(méi)有時(shí)間去細(xì)細(xì)追究來(lái)源，比如網(wǎng)格劃分的控制、坐標(biāo)系的理解、求解器的選擇等，這使我明白了大學(xué)里學(xué)的只是一個(gè)大體上的方向，離實(shí)際應(yīng)用還有太遠(yuǎn)的距離。但我相信方向才是最重要的，因?yàn)榉较虼_定了，就會(huì)用最少的精力做好事情，這對(duì)于我以后的工作至關(guān)重要。因?yàn)樵趯?shí)際生產(chǎn)生活中，要從事的工種是千差萬(wàn)別的，只有從中找到自己最拿手，最有發(fā)展前途的崗位，個(gè)人才有更多的熱情，也最可能在自己的崗位做出一些貢獻(xiàn)。
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