XK2001机床主轴组件建模与工程分析设计（毕业论文）.doc

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1、 西安科技大学高新学院毕业设计（论文）系 别：机 电 信 息 学 院专 业：机械设计制造及其自动化学 生 姓 名：学 号：设计(论文)题目：XK2001机床主轴组件建模与工程分析设计起 迄 日 期:2012年 9月 24日 2012年 12月16日设计(论文)地点:西安科技大学高新学院指 导 教 师: 专业教研室负责人:52摘 要ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域： 航空航天、工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。机床主轴是最常件的零件，该零件结构较为简单，操

2、作方便，加工精度高，价格低廉，因此得到了广泛的使用。目前很多机床主轴都做了适当的改进，使其适用性得到了更大的提高。本设计是基于ANSYS软件来机床主轴行分析。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PROE来建立三维模型。再将此模型导入ANSYS软件来对其进行分析。关键词：机床主轴，三维建模，ANSYS，动静态分析AbstractANSYS (finite element) package i

3、s 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, hea

4、vy 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 impr

5、ovements, 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

6、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-

7、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机床主轴组件建模与工程分析设计目 录摘 要IIAbstractIII目 录IV第1章 绪论71.1 选题的目的和意义71.2选题的研究现状及发展趋势71.3 机床主轴知识

8、81.4 机床主轴的结构特点8第2章 本课题任务和研究方法102.1 课题任务102.2分析方法102.3 本课题的研究方法112.4 有限元方法介绍112.4.1概述112.4.2 基本思想112.4.3特点122.5 ANSYS软件简介13第3章 XK2001机床主轴组件理论设计计算143.1主轴主要参数的计算143.1.1主轴前端直径D1143.1.2主轴内径 d143.1.3主轴前端悬伸量a确定153.1.4 主轴跨距的确定163.2 轴的刚度计算163.3 轴承的选型173.3.1角接触球轴承183.3.2 圆柱滚子轴承193.3.3圆锥滚子轴承193.3.4 深沟球轴承193.4

9、轴承间隙调整和预紧203.5 主轴组件的刚度和刚度损失的计算203.6 轴承的校核223.7 主轴组件的润滑和密封233.7.1主轴滚动轴承的润滑233.7.2脂润滑233.7.3 油润滑243.7.4 主轴组件的密封24第4章 确定机床主轴研究对象和PROE建模254.1确定机床主轴研究对象概述254.2 主轴建模254.3 轴承建模264.4 圆螺母建模274.5 齿轮建模284.6 其他附件建模29第5章 机床主轴的有限元分析335.1有限元分析的基本步骤335.2 有限元分析过程与步骤335.2.1 转换模型格式335.2.2 具体分析操作设置365.2.3 具体分析操作设置395.2

10、.4分析与求解过程455.2.5后处理过程47第六章 总结和机床主轴的优化设计分析51结论- 54 -参考文献- 55 -致 谢- 56 -第1章 绪论1.1 选题的目的和意义 随着计算机技术的日益普及和FEA技术的蓬勃发展，人们已经广泛采用计算机有限元仿真分析来作为机床主轴强度校核的方法。而机床主轴向重载、高速、低噪、高可靠性方向发展，现代机床主轴设计对传动系统的静、动态特性提出了更高的要求。机床主轴设计的主要内容之一是机床主轴。因此，建立比较精确的分析模型，准确的掌握轮齿应力的分布特点和变化规律具有重要的意义。本文采用在PROE等CAD软件中建立模型,然后导入到ANAYS中进行分析相比，既

11、省时省力，又克服了模型转换过程中容易出现的一些问题。根据有限元分析结果，与赫兹公式计算结果进行对比，验证了分析结果的可靠性，在保证结构安全可靠运行的条件下，提高设计制造的效率，降低设计研制成本。 本课题从弹性力学的基本理论出发，以机床主轴的有限元分析为重点，ANSYS10.0 为软件平台，借助计算机对机床主轴进行迅速、高效地强度设计分析，正应了当今市场的需求。1.2选题的研究现状及发展趋势 近年来，随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析方法在工程设计和分析中，已成为解决复杂工程分析计算问题的有效途径。有限元作为CAE技术中的一种关键计算方法，自20世纪中叶产生以来，以其独有的魅力

12、得到了越来越广泛的发展和应用。目前，已出现了不同形态的有限元方法，并由此产生了一批非常成熟的通用和专业的有限元商业软件。 ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的融合结构、热、流体、电磁场、声场和耦合场分析与一体的大型通用有限元分析(FEA)软件。其用户涵盖了核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、电子、造船、交通、国防军工、土木工程地矿、水利、日用家电和教学科研等众多领域。该软件可在大多数计算机和操作系统上运行，ANSYS文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容。其基于Motif的菜单系统，让用户能够方便地通过对话框、下拉式菜单和子菜单进行数据输入和功能选择。另外，ANSYS能与多

13、数CAD软件结合使用，实现数据的共享和交换，如AutoCAD、I-DEAS、Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor等，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。在相继收购了ICEM、CFX、CENTURY DYNAMICS、AAVID THERMAL、FLUENT等世界著名有限元分析程序制造公司并将其产品和ANSYS整合之后，ANSYS实际上已成为世界上最通用和有效的商业有限元软件。在我国，ANSYS软件经过多年的经营，商业版用户已达数百家，遍及各个领域，与此同时，70%以上的理工大学均用ANSYS进行科学研究及教学。1.3 机床主轴知识机床主轴指的是机床上带动工件或刀具旋转的轴。

14、通常由主轴、轴承和传动件（齿轮或带轮）等组成主轴部件。在机器中主要用来支撑传动零件如齿轮、带轮，传递运动及扭矩，如机床主轴；有的用来装夹工件，如心轴。1除了刨床、拉床等主运动为直线运动的机床外，大多数机床都有主轴部件。主轴部件的运动精度和结构刚度是决定加工质量和切削效率的重要因素。衡量主轴部件性能的指标主要是旋转精度、刚度和速度适应性。旋转精度：主轴旋转时在影响加工精度的方向上出现的径向和轴向跳动（见形位公差），主要决定于主轴和轴承的制造和装配质量。动、静刚度：主要决定于主轴的弯曲刚度、轴承的刚度和阻尼。速度适应性：允许的最高转速和转速范围，主要决定于轴承的结构和润滑，以及散热条件。1.4 机

15、床主轴的结构特点机床主轴指的是机床上带动工件或刀具旋转的轴。通常由主轴、轴承和传动件（齿轮或带轮）等组成主轴部件。除了刨床、拉床等主运动为直线运动的机床外，大多数机床都有主轴部件。机床主轴部件的运动精度和结构刚度是决定加工质量和切削效率的重要因素。衡量主轴部件性能的指标主要是旋转精度、刚度和速度适应性。旋转精度：主轴旋转时在影响加工精度的方向上出现的径向和轴向跳动（见形位公差），主要决定于主轴和轴承的制造和装配质量。动、静刚度：主要决定于主轴的弯曲刚度、轴承的刚度和阻尼。速度适应性：允许的最高转速和转速范围，主要决定于轴承的结构和润滑，以及散热条件。传统结构的机床主轴伸缩套是将花键套与凸缘叉焊接在一起，将花键轴焊在机床主轴管上。而GWB公司的机床主轴一改传统结构，将花键套与机床主轴管焊接成一体，将花键轴与凸缘叉制成一体。并将矩形齿花键改成大压力角渐开线短齿花键，这样既增加了强度又便于挤压成形，适应大转矩工况的需要。在伸缩套管和花键轴的牙齿表面，整体涂浸了一层