毕业设计（论文）-基于SolidWorks数控镗铣床主轴箱的有限元分析及参数优化

IV摘要数控镗铣床精密加工的零件越来越多、精度要求越来越高，这对机床有了更高的要求。国内在大型数控镗铣床这类设备的精度和转速等跟国际领先水平还有一定差距，目前对大型机床研究较多的也只是那些普通的主轴，本文针对可沿轴向移动的双主轴结构及性能进行了研究。确定了主轴的结构形式，并选择了合适的支承方式。分析了主轴端部变形量跟镗轴伸出长度的关系，在考虑轴承刚度的条件下对轴承的轴向位置以及主轴各段的长度进行了优化，获得了一种整个加工过程中相对较合适的轴承配置。进行误差补偿时将镗主轴伸出一半距离时作为误差零点，相当于将最大误差减半，可以提高加工精度。在主轴结构基本确定后对主轴进行了模态分析和谐响应分析，确定了主轴在设计的工作条件下不会发生共振，同时为日后机床性能的提高或者同类机床设计提供参考，对振幅较大的部位可以相应做出些如增加阻尼的解决方案。本设计是基于Solidworks软件来数控镗铣床主轴进行分析。与传统的计算相比，借助于计算机有限元分析方法能更加快捷和精确的得到结果。设置正确的模型、划分合适的网格，并合理设置求解过程，能够准确的获得分析模型各个部位的应力、变形等结果。对零件的设计和优化有很大的参考作用。正是因为上述优点，我在本设计中运用Solidworks来建立三维模型。再将此模型导入simulation软件来对其进行分析。关键词：数控镗铣床主轴，三维建模，模型，动静态分析，模态分析全套图纸加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.目录摘要 IAbstract II目录 III第1章绪论 11.1课题研究的背景及意义 11.2课题来源 21.2.1研究方法 21.2.2总体技术路线 21.2.3工艺规范及技术规范研究 31.3国内外技术现状 31.3.1大型数控镬铣床国内外发展现状及发展趋势 31.3.2主轴系统的研究概况 51.4主轴支承结构优化的重要性 7第2章solidworks及simulation介绍 92.1Solidworks软件概述 92.2Simulation介绍 9第3章数控镗铣床主轴3D设计 12第4章数控镗铣床主轴的有限元分析 234.1有限元分析简介 234.1.1有限元分析的概念 234.1.2有限元分析的意义 234.1.3有限元分析的基本步骤 234.2有限元分析过程与步骤 244.3主轴静态应力有限元分析 25总结 30参考文献 31致谢 32PAGE29第1章绪论1.1课题研究的背景及意义数控机床的质量等级、种类和生产能力可以反应该国家装备制造技术水平和综合国力，大型高精数控机床是先进制造技术的重要支撑，是进行自主创新的核心。高速中大型加工中心不仅是国内机床、船舶、航天、发电设备制造等领域的迫切需求，而且作为战略装备，直接关系到航空航天、导弹卫星、新型武器等国防工业的现代化。装备制造业的振兴、国家安全和国民经济发展都跟数控机床产业的振兴有着密切关系，随着高档数控机床在制造业中需求增大，数控机床的应用范围也在不断扩大，并且不断发展以更加适应高速高精、复合化生产加工的需要。随着我国国民经济与国防建设的高速发展，航空航天、船舶、汽车、发电设备制造等领域的重大型设备中有待精密加工的航空配件、船舶零件、发电机转子，各类箱体越来越多、精度要求越来越高。而国内最大转速4000rpm，定位精度簇0.02mm,重复精度簇0.01mm，旋转工作台承载)25吨，有多种附件头可自动更换，并且能够在加工时进行热误差补偿等高精度设备还是空白。国外进口价格昂贵，供货周期长，还受政治影响，这些都严重地制约着我国大型数控设备的发展。克服相关技术难题，掌握关键技术，研发出具有国际先进水平的高精度大型数控钟铣床，这对于打破有些国家在该领域的垄断地位，提高我国高精度大型数控钟铣床的生产能力，为我国大型高精度设备制造企业提供先进的制造设备和技术手段，从而提高我国装备制造业技术实力，增强我国综合国力是很重要的。TH6213系列钟铣加工中心机床，是为适应国家的需求和市场需求而开发的多功能、高速、高效技术装备。它的基本特征为精度高、表面质量好以及效率高，在发电设备制造、船舶、航天航空、冶金、军工等行业中广泛的应用，是当代先进制造技术的重要组成部分。可以预见其市场前景广阔，由此也可见其在国民经济发展中所起的重要作用及所处的重要地位，其为我国在数控精密加工中心发展上提供的潜在的价值更是不可估量的，这种数控精密加工中心的试制，可为我们今后开发高技术产品和精密机床加工设备，提供充分的制造经验和技术积累。该产品试制成功后，为发电设备制造、船舶、航天航空、冶金、军工等行业的发展开辟了国内选择的新途径，并为我国机床行业与世界同步发展，为国内机床出口创汇增加新的亮点。TH6213钟铣加工中心机床最适于加工较大型复杂零件，可选配多种附件，进一步扩大机床的使用功能。可通过自动换刀进行钻、钟、铣、铰、攻螺纹等工序而不需要重新装夹工件，可加工零件上各种复杂曲面和图形、各种台阶、各种复杂孔系等。加工零件具有高精、高效、高稳定性的特点。可广泛适用于汽车、航空航天、船舶制造、军工、能源、电力设备、矿山机械、锻压设备和模具等行业中。是大、中型零件，如箱体类、板类、机架类的理想粗、精加工设备。尤其适合于风、电、煤等能源行业的大中型零件的加工。是能源加工行业不可缺少的理想关键设备。1.2课题来源在这样一种背景下，青海一机数控机床有限责任公司提出与高校联合开发一款TH6213数控钟铣床来满足国内需求，提高国家的制造水平。该产品符合2009年国家“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项中优先支持的17类高档数控机床与基础制造装备中内容，与国家中长期科学和技术发展规划的目标相符合。大型数控钟铣床在钟削的时候，由于加工的工件比较大，不能直接将工件安装在床身上，必须在床身外另外增设工作台来装夹工件，这样就只能将主轴伸出到工件的孔中进行加工。机床的主轴系统是机床的核心，其精度直接决定了机床的精度，而主轴要伸出机床外，更增大了该数控钟铣床主轴系统的设计难度。为此，对此款机床的主轴系统的设计进行研究是非常有实用价值的。1.2.1研究方法在本课题的实施过程中，课题的组织与运行主要采用以下几个方面的研究方法:1)目标牵引本课题以重大专项指南要求和市场需求为导向，以青海一机数控机床有限责任公司为主体，产、学、研、用密切结合，共同参与项目整体方案的制定和实施。2)系统研究本课题不是单台机床的设计制造问题，而是涉及先进制造技术、高精、高速加工工艺、钟、铣主轴单元、精密检测设备、系统建模仿真等多领域重大技术的难题，因此课题的工作安排将充分体现系统工程的思想，主攻关键技术，注重示范作用。3)优势联合针对课题的各个重大技术难题，发挥联合单位各自的优势，制定合理可行的组织方式和技术路线，完成各自相应的研究任务。1.2.2总体技术路线首先对国内外同类高精、高速加工中心设计、制造技术现状和发展趋势进行深入分析和研究，同时，充分注重高速加工技术与主机结构设计有机结合与协调，在此基础上提出主机的具体实现的技术方案，首先找出与高精、高速加工中心相关的技术难题，在充分考虑项目责任单位和联合申报单位工作基础和技术能力的前提下，提出项目主要研究任务和研究内容，并采用建模仿真分析与实验分析相结合的方法，对关键问题进行深入研究，掌握关键技术，最终开发出可以批量化生产的高速加工中心。高精、高速加工中心是集机、电、液、气、控等多种系统于一体的复杂装备，影响其高速、高效、高精的关键是结构的静、动和抗热刚度，以及高速主轴和高速进给系统的动态性能等因素，因此，围绕重大专项提出的研究内容，以机床动态性能为主线，试验与理论分析相结合，借助实验分析与建模仿真结合的方法，采取“总体方案设计一整机建模分析一关键技术研究一动态性能检测一薄弱环节识别一结构优化设计一整机性能评估一样机试制验证”的研究思路，应用多场藕合有限元模态分析、多学科综合优化、多体动力学和多物理领域建模等理论与方法，进行整机结构动力学建模、仿真及优化，解决高速加工中心结构静动刚度、热刚度和不同系统的动态优化匹配问题，找出影响高速性能的关键薄弱环节;建立高速主轴单元性能检测的综合实验平台，对高速主轴动态特性进行分析和优化;研究一种用于高精、高速主轴的新型低温油气润滑冷却装置，实现对主轴回转精度的动态稳定性控制;搭建高速进给系统动态特性检测与控制实验平台，研究W轴进给系统的温升对传动刚度的影响，实时温度控制;分析移动部件的加减速特性模型，减少运动部件惯量对进给系统的影响，设计出与高速运动相适应的轻量化移动部件。建立整机性能评价方法与指标体系，完善制造和装配工艺制度，提高高精、高速加工中心的工作性能和可靠性，实现课题技术指标。1.2.3工艺规范及技术规范研究1)开展高速加工中心设计、制造工艺研究，形成工艺规范。收集国内外高速加工中心、超高速加工中心相关制造工艺规范、研究成果以及企业生产与检验能力和装配、制造工艺等资料，对收集到的资料进行整理和分析。将加工中心关键部件和整机进行结构动态特性计算分析;基于ABAQUS有限元分析平台建立整机的数字化分析模型，进行高速加工中心整机动态性能的分析等工作形成设计规范。2)开展高加工中心技术规范研究，形成企业标准。收集国内外高速加工中心、超高速加工中心的验收与精度标准以及产品规格等资料，对收集到的资料进行整理和分析。依据现有测量仪器和生产设备以及本课题的研究成果和新增生产设备以及已有资料，并参考国内外相关标准，制定高速加工中心的精度和验收条件等企业标准草案以及高速加工中心配套件企业标准草案。1.3国内外技术现状1.3.1大型数控镬铣床国内外发展现状及发展趋势目前国内高档大型钟铣数控机床产品与发达国家著名企业相比仍存在一定差距，产品水平的差距主要体现在:主轴转速，国际先进水平已发展到最高达3000-4000r/min，而国内主要徘徊在800-1SOOr/min。快速进给方面，国际先进水平达20000-30000mm/min，而国内主要徘徊在6000-10000mm/minx精度，国外先进水平定位精度0.015/1000mm，重复定位精度0.003-0.007mm,国内产品水平，定位精度0.025/1000mm，重复定位精度0.01-0.O15mm。可靠性、精度的稳定性、复合多功能、柔性化、智能化方面不如国外厂家，外观质量也有明显的差距。目前，国内外生产重型落地铣钟床的企业比较多，竞争非常激烈。国内的代表企业有武重、齐二机床、沈阳(中捷)机床、济二机床、北一机床、三一精机、昆明机床、大连机床等，国外的有意大利的PAMA,FPT，捷克的SKODA,TOS，西班牙的JUARISTI，口本的山崎马扎克、MITSUBISHI等。表1-1国内部分落地锁床的主轴性能近年来，重型落地铣钟床主轴转速越来越快，高性能和高生产率钟床的主轴遇到了越来越多的挑战，在高效率切削中，需要机床主轴具备高转速和高效率的特点。在精加工时需要高转速，以便使切削效率有限的小直径刀具能达到足够的切削速度。而粗加工时则需要较大的切削功率。因此，机床主轴研制的重点主要在于提高整体加工效率，使精加工和粗加工都能够在理想条件下进行。表1-1中给出了国内部分落地钟床的主轴性能进行比较。由表1-1可以发现，目前机床主轴转速越来越高，而主机扭矩则相应有所下降。主轴同时具备高转速和高效率的特点越来越明显。国外PAMA和SKODA公司提供的产品在主轴转速、最大切削扭矩、进给速度、加工精度等方面都要优于国内的产品，尤其是高转速(2500r/min以上)配大扭矩(10000N"m以上)方面，国内还没有相关产品。根据相关的参考文献，重型钟铣床正朝着精密化、高速化、超大型化、环保化、复合化、智能化方向发展。精密化：二十一世纪以来，随着国防工业和高技术民用工业的高速发展，精密机床的需求量也随之上升，并且对数控机床的加工精度的要求不断提高。当今普通精度的数控机床的加工精度就与六十年前精密机床的加工精度相当。在高新技术工业快速发展的时代，起着支撑作用的机床产品的精密化进程不可逆转。中、小型机床超精密加工的精度已从微米级往亚微米级发展，部分特种加工机床的精度更高，可达到纳米级。对于重型机床来说，加工的零件多为大型零件，但精度要求一点也不低，以汽车、航空航天工业领域内的产品为例，加工精度普遍要达到微米级(C0.002-0.004mm),甚至更高(<0.001mm)。高速化：一些零件的加工要求机床具有很高的转速，例如航空航天工业中材质为钦铝合金的大型薄壁零件，要求重型五轴联动的钟铣床的主轴转速达到6000-40000r/min。为了实现高速加工，越来越多的重型落地钟铣床采用了高速电主轴、直线电机、直线重载导轨、高速滚珠丝杠等新型部件，发挥了现代刀具优良的性能，提高了加工效率。超大型化：随着经济的发展和科技的进步，人类探索自然的脚步迈得越来越远。在探索海洋和太空等领域时，由于某些特殊的需求，所需的装备的体积也越来越大，正因为如此，重型机床的规格也在不断升级。例如，齐二为中信重工制造的TK6932型落地铣钟床，重760T,杆直径320mm，主轴箱行程8m,滑枕行程2m。环保化：随着人们对环境保护越来越重视，对机床在环保方面提出了更高的要求。当今，在欧洲一些国家，机床产品的硬、干切削技术在快速的发展，避免和防止润滑和冷却的油液污染周围的环境。复合化：在零件的单工序加工过程中，机床切削的时间只占整个生产加工过程的一半左右，而另一半的时间则被用于工件装夹等辅助时间，所以使工序集中，减少装夹次数，可以大大节约加工时间，提高生产效率。复合机床可以减少辅助时间，机床的复合化是现代机床发展的趋势，尤其是重型机床，其加工的工件多为单件或小批量，一次装夹内完成多道工序，其加工效率、经济效益将显得十分突出。目前，齐二机床生产的重型钟铣车床，带有回转工作台，能在一次装夹内完成多道工序。智能化：得益于计算机技术的高速发展，机床产品变得更加智能。现如今，机床产品的远程控制技术、远程故障诊断技术以及机床数控系统的软件补偿技术都已经在许多机床产品上得以实现。包括重型落地铣钟床在内的机床产品在未来必将越来越智能。1.3.2主轴系统的研究概况机床主轴系统是机床的最重要的组成部分之一，其工作特性直接影响加工质量和生产效率。随着大型钟床、钟铣加工中心不断向高速度、高精度、高刚度的方向发展，对主轴组件的精度要求、温度控制、动静态特性等要求也越来越高。机床主轴系统通常由主轴、传动部件、轴承和一些紧固定位零件组成，其中主轴轴承是对主轴系统性能影响最大的。数控机床主轴系统的设计由原来的类比设计、经验设计逐渐被现代的建立模型进行有限元仿真优化设计所取代。由于主轴轴承在主轴系统中的重要性，在研究主轴系统时，也总离不开对主轴轴承的研究，机床主轴对滚动轴承的基本要求.1)转速与温升随着科技水平以及加工要求的提高，切削速度越来越高，转速变化范围也越来越大，因此，在高速运转的条件下对轴承稳定性的要求也越来越高。机床主轴轴承的温升是限制轴承转速的重要因素。一般情况下，合理选择轴承类型、配置方式、精度等级、预载荷(游隙)大小、润滑剂及润滑方式等特性，能在一定程度上提高滚动轴承的高速性能。2)寿命及承载能力一般情况下，主轴组件的寿命是指主轴能够在规定的精度下使用的时间，因此，要求在主轴组件寿命期内轴承精度能够有较好的保持性。对于重型机床或切削力较大的机床，首先应该考虑的是轴承的承载能力。(3)刚度和抗振性为保证工件的加工质量，主轴系统需要有一定的刚度，否则会产生比较大的复映误差甚至颤振。抗振性是指抵抗受迫振动和自激振动的能力。主轴组件的抗振性取决于主轴和轴承的刚度和阻尼。采用预紧滚动轴承可以有效地提高主轴系统的刚度。(4)噪声在高速磨床中，其整机噪声的主要成分就是磨头轴承的噪声，应选用噪声低的滚动轴承。由于主轴系统是保证加工精度的一个重要环节，国内外学着对其做了大量的研究。对于这些大型数控机床，通常情况下，主轴刚度满足的条件下主轴的强度都是能满足要求的，提高主轴部件的刚度特性对数控钟铣床的精度有着很重要的作用。通过有限元分析软件对主轴进行建模，可以分析出跟主轴刚度有关的信息，找出薄弱部分，根据这些可以有针对性的进行优化。兰州理工大学的数字制造技术与应用省部共建教育部重点实验室在这方面就做了相关的研究。英属哥伦比亚大学的OsamuMaeda,YuzhongCao,YusufAltintas关于主轴设计的专家系统，通过模糊理论对主轴的结构尺寸等设计进行一种交互的、自动的设计，通过调整轴承在主轴上的分布形式来自动的对主轴结构动态进行优化。其中还利用了Timoshenko梁理论来预测主轴的频率响应特性，利用SequentialQuadraticProgramming(SQP)方法对轴承的配置形式进行了优化。TedricA.Harris和MichaelN.Kotzalas9]在研究主轴系统的刚度时发现，一方面由于轴承刚度计算的复杂性，另一方面无论是理论计算还是试验都证明轴承的刚度是非线性的，这就使得主轴系统的分析非常复杂。于是他在对主轴系统进行静力学分析的时候忽略了轴承的弹性，将其作为固定支承来研究并给出了理论解。2006年，YUZHONGCAO建立了机床主轴系统的通用结构模型，该模型可以通过指定切削条件、刀具几何形状等来分析预测主轴，从而不需要向传统的那样通过经验进行尝试性设计，再通过制造样机来检验，然后不断改进，大量节省了设计成本和时间。这是利用Timoshenko梁理论开发的主轴系统通用有限元模型，还包括角接触球轴承的非线性有限元模型，可以预测在轴向载荷作用下刚度的变化，并通过试验进行了验证。该模型可以预测主轴系统的模态、频率响应、主轴振动、轴承接触力等评估主轴系统在高速切削下工作性能的基本参数。1995年，美国普渡大学的JayF.Tu通过一个弹性模型来进行主轴轴承转动时所产生的应变场分析。这种分析具有很重要的实用意义，因为它与轴承预载荷、切削力、轴承运行条件等密切相关。另外，还研究了一种非侵入式的检测方案，通过在主轴箱外贴高敏感性传感器来间接检测轴承部位的应变场，代替了传统的在轴承座内安装应变片的方案，验证了所建模型的正确性。由于对主轴系统特性缺乏比较完整的理解，尤其是热效应，严重制约了主轴系统在速度提高后的可靠性，对于高速主轴，有一个臭名昭著的问题就是由于发热问题，主轴在毫无征兆的情况下发生严重的失效。BerndBossmanns和JayF.Tu在1999年提出了一种有限差分热模型来描述主轴的能量分布，特别是表征热传递和热衰减，并在一种电主轴的机床上得到了验证。在2001年，他们两人又提出了定性的能量流模型和定量的热源模型。2003年，Chi-WeiLin,JayF.Tu和JoeKamman提出了一种综合热一机械动态模型，研究了轴承预紧对轴承刚度的影响，整个主轴系统的动态特性，高速旋转时的转动效应等等。2007年，Chi-WeiLin和JayF.Tu}ls]基于一种综合的有限元模型提出了一种开发设计流程图来表示主轴的设计问题。在这个流程图中有8个参数需要考虑，通过对这8个参数进行设计灵敏度分析，从而探讨其对主轴系统的固有频率的影响。2004年，台湾大叶大学的Cheng-HsienWu,Yu-TaiKung对主轴轴承的油气润滑和预紧做了研究，他们利用口本学者田口玄一提出的田口方法研究了设计参数对润滑效率的影响，也研究了怎样获得最佳的润滑条件，另外还研究了预紧力对温升和刚度的影响。2003年，韩国昌原大学的WonJeeChung,ChoonManLee和他们的团队开发出了主轴单元的梁单元模型、算法和热特性的主轴单元计算机分析软件，开发的热模型包括滚动轴承的热生成模型和热传递模型，主轴单元的温度和热变形的估计模型。罗马尼亚的GD.Hagiu和M.D.Gafitanu}lg]在1996年对高速运转的角接触球轴承进行了研究，通过建立的动态模型，考虑了赫兹接触中的薄膜压缩效应和弹性变形，研究了高速角接触球轴承的刚度和阻尼。在2012年，伊朗的A.Zahedi和M.R.Movahhe街为高速主轴系统建立了热一机械组合模型来预测主轴系统的热一机械行为。主轴箱和主轴被用六自由度的Timoshenko梁来仿真，轴承被仿真为有五个移动的两节点元件，并且每个节点有一个热载荷。主轴、主轴箱跟轴承之间的行为是通过热变形、热生成率和热传递率来描述。1.4主轴支承结构优化的重要性对于普通机床，有的学者对主轴轴承的配置方法进行了总结，分析了各种配置方式各有什么特点，适用于哪种情况。机床设计人员可以根据机床的使用情况，根据所设计机床目标性能的特点，合理地选择轴承配置方式，从而使该机床在所需要的性能方面达到一个较好的状态。对于钟铣床，它是两根主轴套在一起使用，外层是铣轴，里面是钟轴，铣轴轴向位置固定，而钟轴可以在铣轴中间沿轴向滑动，伸出铣轴进行钟削。这种情况需要用轴承对铣轴进行支承，钟轴部分靠铣轴与钟轴的滑动配合面支承，尾部靠轴承支承。由于钟轴要能在铣轴滑动，可以伸出铣轴钟孔，因此钟轴中间不能添加支承。大部分(近90%)主轴的支承方式都是两支承，少数的某些机床由于结构设计上的原因，导致主轴箱长度较长，其主轴两个支承之间的支承跨距L远大于最佳跨距Lo，此时，应考虑增设中间支承来提高主轴部件的刚度和抗振性。由于制造工艺上的限制，要使箱体中三个主轴支承座孔中心完全同轴是不可能的。为了保证主轴部件的刚度和旋转精度，通常只有两个支承(其中一个为前支承)其主要作用，而另一个支承起辅助作用，辅助支承通常采用刚度和承载能力较小的轴承，其外圈与支承座孔的配合比主要支承松1-2级，保证有一定的间隙，以解决三孔不同轴的问题。对于钟铣床这种复杂的主轴套主轴的结构，由于较细的钟轴较长，要能在铣轴内滑动伸出，如果要采用两支承结构，就意味着细的钟轴来支撑起较粗的铣轴，而且钟轴长度又很大，可以达到两米多，故直接采用两支承是不合适的。钟铣床主轴通常采用的是三支承的轴承配置结构，前端铣轴部分采用两支承，在前端获取较高的刚度，后端钟轴尾部增加一支承托住钟轴，充当辅助支承，同时提供钟轴轴向进给力。钟轴前端利用铣轴内表面(通常是部分内表面)进行支承，单独看钟轴，是两支承或是三支承。第2章solidworks及simulation介绍2.1Solidworks软件概述SolidWorks为达索系统（DassaultSystemesS.A）下的子公司，专门负责研发与销售机械设计软件的视窗产品。达索公司是负责系统性的软件供应，并为制造厂商提供具有Internet整合能力的支援服务。该集团提供涵盖整个产品生命周期的系统，包括设计、工程、制造和产品数据管理等各个领域中的最佳软件系统，著名的CATIAV5就出自该公司之手，目前达索的CAD产品市场占有率居世界前列。特点:Solidworks软件功能强大，组件繁多。Solidworks功能强大、易学易用和技术创新是SolidWorks的三大特点，使得SolidWorks成为领先的、主流的三维CAD解决方案。SolidWorks能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。SolidWorks不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。对于熟悉微软的Windows系统的用户，基本上就可以用SolidWorks来搞设计了。SolidWorks独有的拖拽功能使用户在比较短的时间内完成大型装配设计。SolidWorks资源管理器是同Windows资源管理器一样的CAD文件管理器，用它可以方便地管理CAD文件。使用SolidWorks，用户能在比较短的时间内完成更多的工作，能够更快地将高质量的产品投放市场。在目前市场上所见到的三维CAD解决方案中，SolidWorks是设计过程比较简便而方便的软件之一。美国著名咨询公司Daratech所评论：“在基于Windows平台的三维CAD软件中，SolidWorks是最著名的品牌，是市场快速增长的领导者。”在强大的设计功能和易学易用的操作（包括Windows风格的拖/放、点/击、剪切/粘贴）协同下，使用SolidWorks，整个产品设计是可百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的。2.2Simulation介绍Simulation是SRAC（StructuralResearch&AnalysisCorporation）推出的一套强大的有限元分析软件。SRAC位于美国加州的洛杉矶，从1982年成立至今，SRAC一直至力于有限元CAE技术的研究和发展。早期的有限元技术高高在上，只有一些国家的部门如宇航，军事部门可以使用，而此后的一些有限元分析软件也都存在界面不友好、难学难用的缺点，且要求的设备昂贵。虽然用的范围大了一些，但也都是集中在大学和一些研究机构，只有少数专业人员才能有机会接触，普通的工程师可望而不可及。然而自simulation出现后，有限元分析的大门终于向普通工程师敞开了，把高高在上的有限元技术平民化，它易学易用，简洁直观，能够在普通的PC机上运行，不需要专业的有限元经验。普通的工程师都可以进行工程分析，迅速得到分析结果，从而最大限度地缩短设计周期，降低测试成本，提高产品质量，加大利润空间。做为世界上最快的有限元分析软件，simulation采用FFE（FastfiniteElement）技术使得复杂耗时的工程分析时间大大缩短，有一位工程师打趣说"自从有了simulationFFE技术，我连喝咖啡的时间都没有了"。传统的方法在分析装配体时是先把零件拆散，然后一个个分别处理，耗时耗力，又存在计算结果不精确的缺点。simulation提供了多场/多组件的复杂装配分析，从而大大简化工程师的劳动，使得分析能够更好地模拟真实情况，结果也就更精确。simulation是完全整合在SOLIDWORKS中设计分析系统的，提供压力、频率、约束、热量，和优化分析。为设计工程师在SolidWorks的环境下，提供比较完整的分析手段。凭借先进的快速有限元技术(FFE),工程师能非常迅速地实现对大规模的复杂设计的分析和验证，并且获得修正和优化设计所需的必要信息。分析的模型和结果和Soli-dWorks共享一个数据库，这意味着设计与分析数据将没有繁琐的双向转换操作，分析也因而与计量单位无关。在几何模型上，可以直接定义载荷和边界条件，如同生成几何特征，设计的数据库也会相应地自动更新。计算结果也可以直观地显示在SolidWorks精确的设计模型上。这样的环境操作简单、节省时间，且硬盘空间资源要求很小。simulation能够做哪些方面的分析，分别解决什么问题呢？其基本模块能做线性应力、位移、频率和室温、热分析，含装配体分析，还可以选择购买运动分析和流体分析模块。静应力分析零件会断裂吗？是超安全标准设计吗？热应力作用下会失效吗？频率分析确定零件或装配的造型与其固有频率的关系，会发生共振吗？在需要共振效果的场合，如超声波焊接喇叭，音叉，获得最佳设计效果。失稳分析在压载荷作用下，薄壁结构件会发生失稳吗？在这些情况下一般不会达到材料失效（应力超过材料屈服极限）。热分析零件会过热吗？热量在整个装配体中如何发散？用辐射、对流和传导三种方式研究热量在零件和装配中的传播。非线性分析用于分析橡胶类或者塑料类的零件或装配体的行为，还用于分析金属结构在达到屈服极限后的力学行为。也可以用于考虑大扭转和大变形，如：突然失稳。间隙/接触分析在特定载荷下，两个或者更多运动零件相互作用。例如：在传动链或其他机械系统中接触间隙未知的情况下分析应力和载荷传递。优化在保持满足其他性能判据（如应力失效）的前提下，自动定义最小体积设计。后动力分析零件或装配体在动态激励下的线性动力学分析，如地震激励分析。疲劳分析预测疲劳对产品全生命周期的影响，确定可能发生疲劳破坏的区域，流体动力学计算（CFD）跟踪导管内部或者螺旋桨等表面的气体、液体流动状况。例如：CPU内的空气循环和冷却，螺旋桨的升降。电磁分析研究导电原件的电磁相互作用，确定线圈和磁体感应产生的机械力。SRAC公司早在1985年她就开发出了世界上第一套应用于PC机的有限元分析程序，1995年成为SolidWorks的第一家合作伙伴，1997年成为SolidWorks的第一家黄金认证合作伙伴，2002年4月SRAC加入SolidWorks公司，从此simulation正式成为SolidWorks产品。simulation是SolidWorks®家族最热销的分析解决方案，尤其适合于那些有分析需求但是缺乏相关有限元专业知识的工程师们的需要。simulation集功能强大、计算精确和简单好用三大特点为一身，能够让工程师们在一天之内开始设计分析，并且迅速得到分析结果。simulation能够提供广泛的分析工具去检验和分析复杂零件和装配，它能够进行应力分析、应变分析、变形分析、热分析、设计优化、线性和非线性分析。使用simulation，工程师可以最大限度地缩短设计周期，降低测试成本，提高产品质量，加大利润空间。只有simulation含有精确应力分析模块（AccuStress），这是精确应力计算中一个有着划时代意义的工具,象征着一个过渡期的划分网格新技术。在局部区域网格划分更细密以提供更精确的应力计算结果进行产品设计优化。由于受到本行业高速解决方案的推动，simulation能够让您只花上传统FEA软件价钱的一个零头，就可以得到高端的simulation的功能，从结构分析、热应力分析到含间隙的装配分析和接触摩擦分析，simulation无所不能。使用革新化的精确工具，simulation的计算结果相当准确足以优化您的真实设计形状，simulation可以进行虚拟试验，在整个设计周期中进行优化，把投入造型和分析的财力和时间降至最低水平。谈到精确应力分析结果时，大量的基准试验已经证明主流的分析软件中没有一个能与simulation相提并论。只有simulation含有精确应力分析模块（AccuStress），这是精确应力计算中一个有着划时代意义的工具,象征着一个过渡期的划分网革新技术。在局部区域网格划分更细密以提供更精确的应力计算结果进行产品设计优化，植入SolidWorks的优化和仿真功能使simulation帮助您无需频繁地重新定义分析就可以更快更准确地修改设计。simulation提供给您功能强大而又快速、精确的设计分析工具，确保您的设计分析更加轻松。第3章数控镗铣床主轴3D设计零件建模过程：首先打开solidwork软件，选择打开，选中文件打开。然后进行零件建模，具体步骤如下：1.旋转11）选中，右键，选编辑草图：2）退回上一步，重新选中，右键，选编辑特征：2.切除-拉伸11）选中，右键，选编辑草图：2）退回上一步，重新选中，右键，选编辑特征：3切除-旋转11）选中，右键，选编辑草图：2）退回上一步，重新选中，右键，选编辑特征：4切除-旋转21）选中，右键，选编辑草图：2）退回上一步，重新选中，右键，选编辑特征：5.切除-拉伸21）选中，右键，选编辑草图：2）退回上一步，重新选中，右键，选编辑特征：6.M16螺纹孔，选中右键，选编辑特征：7.圆周阵列，选中，右键，选编辑特征：8.M16螺纹孔2选中，右键，选编辑特征：9.镜向1选中：右键，选编辑特征：10.基准面1右键，选编辑特征：11.切除拉伸31）选中，右键，选编辑草图：2）退回上一步，重新选中，右键，选编辑特征：完成的建模：主轴零件图第4章数控镗铣床主轴的有限元分析4.1有限元分析简介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类问题的数值方法。应力分析中稳态的、瞬态的、线性的或非线性的问题以及热传导、流体流动和电磁学中的问题都可以用有限元方法进行分析解决。工程问题一般是物理情况的数学模型，包括边界条件、特征参数和扰动参数。可能的情况下，由给定的条件可以得到系统的精确行为。在许多实际工程问题中，由于控制微风方程组的复杂性或边界条件和初值条件的难以确定性，我们一般不能得到系统的精确解。为解决这个问题，我们需要借助于数值方法来近似。解析解表明了系统在任何点上的精确行为，而数值解只在称为节点的离散点上近似于解析解。任何数值解法的第一步都是离散化。这一过程将系统分为一些子区域和节点。数值解法可以分为两大类：有限差分法和有限元方法。有限差分法难以解决带有复杂几何条件和复杂边界条件的问题。有限元方法使用公式方法而不是微分方法来建立系统的代数方程组，并假设代表每个元素的近似函数是连续的，通过结合各单独的解产生系统的完全解。4.1.2有限元分析的意义验证一个系统的优劣，可以通过试验检验。对于设计人员来说，设计对象的结果往往是非常复杂和多样的，难以建立实际模型逐一验证其性能。这时，可以运用有限元分析软件，用有限元方法对其进行理论的计算，检验其是否满足设计要求。有限元分析的优点在于：解决试验难以模拟的情况下的问题；节省试验成本；缩短验证时间，提高开发效率。4.1.3有限元分析的基本步骤预处理阶段：（1）建立求解域并将之离散化成有限元，即将问题分解成节点和单元。（2）假设代表单元物理行为的形函数，即假设代表单元解的近似连续函数。（3）对单元建立方程。（4）将单元组合成总体的问题，构造总体刚度矩阵。（5）应用边界条件、初值条件和负荷。解决阶段：（6）求解线性或非线性的微分方程组，以得到节点的值。后处理阶段：（7）得到其他重要的信息。4.2有限元分析过程与步骤（1）创建算例我们要分析的是转子动力学的内容，因为Simulation作为SolidWorks的一款插件，在创建前需载入Simulation插件才能使用，在类型中选择“频率”，如图4.7，图4.7Simulation新建算例界面（2）材料定义在Simulation中，软件提供了许多常用材料供用户使用，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体为铸造碳钢外，全部定义为“普通碳钢”，材料属性窗口见图4.8，（3）转子轴连接和支撑定义本算例分析的是转子和轴键连接机构，为了保证运算精度，必须考虑到键的连接机制，对于轴的支撑使用到的是轴承，在机械设计手册中介绍，轴承的支撑属于刚性支撑，而在Simulation中，关于轴承的支撑定义为柔性支撑（见图4.9），使用者可根据精度要求全面的计算出来。其中径向载荷为79.42N.m,轴向载荷为218.24N.m。（4）外部载荷的定义本算例中根据根据转子轴的实际运动情况，定义了一下三个外部载荷。第一个载荷是转子所受的引力，对于引力的定义比较简单，选中转子模型，添加引力即可，引力值为默认值9.81m/s。第二个载荷为离心力，由于转子轴做的是旋转运动，所以会产生离心力的作用，由上文可知电机的转速为1460r/min，即24.3r/min，同时确定轴的旋转方向即离心力的方向。第三个载荷为为转子在轴两端的支撑载荷，默认100N/m。（5）求解及结果分析在设定好预定的载荷和约束之后，即可对模型进行求解，求解前要定义求解器的频率数，最终生成动力学图解。（见图4.9）图4.8材料属性窗口4.3主轴静态应力有限元分析创建算例打开“总装”文件，选择Simulation创建“新算例”，右击“算例1”，类型选“静应力分析”，选择重命名，输入“应力”(见图6.1)。图6.1创建新算例指定材料属性在Simulation中，软件提供了许多常用材料供用户使用，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体为铸造