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文獻(xiàn)綜述
科機(jī)械0804
李鵬生
主軸箱設(shè)計(jì)研究綜述
1·前言
現(xiàn)在傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)特點(diǎn)是以經(jīng)驗(yàn)積累為基礎(chǔ), 通過力學(xué)、數(shù)學(xué)建模及試驗(yàn)等所形成的經(jīng)驗(yàn)公式、圖表、標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范作為依據(jù), 運(yùn)用條件性計(jì)算或類比等方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。目前傳統(tǒng)設(shè)計(jì)在大多數(shù)情況下仍然是有效設(shè)計(jì)方法, 但要滿足現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床高速、高效、高精度、高可靠性、模塊化、智能化、柔性化、集成化和開放性的特點(diǎn), 在設(shè)計(jì)過程中還須運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和工具。在機(jī)床的諸多零件中, 主軸箱是機(jī)床設(shè)計(jì)過程中工作量最大的部件。 通常主軸箱是采用一根動(dòng)力軸帶動(dòng)多根傳動(dòng)軸的工作方式, 各傳動(dòng)軸必須在有限的標(biāo)準(zhǔn)箱體空間中找到適宜的分布位置并避免干涉, 而各軸的設(shè)計(jì)又必須保證其轉(zhuǎn)速、 旋向、 強(qiáng)度和剛度, 因此設(shè)計(jì)難度較大。 而主軸箱的結(jié)構(gòu)與機(jī)床的整體性能有著密切關(guān)系,提高主軸箱的機(jī)械特性,對(duì)于提高機(jī)床產(chǎn)品質(zhì)量,保證加工精度具有重要義。
2·分類
2.1.大型數(shù)控落地銑鏜床主軸箱采用 ANSYS進(jìn)行靜態(tài)分析
2.1.1引言
主軸箱是數(shù)控銑鏜床重要部件, 主要用于安裝機(jī)床主軸及其傳動(dòng)零件。數(shù)控銑鏜床在加工過程中, 滑枕和鏜桿要伸出主軸箱,結(jié)合有關(guān)附件的重力, 使主軸箱前端向下變形, 對(duì)立柱加載一個(gè)力矩, 影響銑軸、 鏜軸、 立柱的剛度, 降低了加工精度[ 1]。因此, 主軸箱必須有足夠的剛度。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)主軸箱時(shí)大多采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行驗(yàn)算,不能準(zhǔn)確地計(jì)算出主軸箱各個(gè)部位的應(yīng)力和變形。文獻(xiàn)[ 5]對(duì)同規(guī)格閉式結(jié)構(gòu)主軸箱進(jìn)行了有限元分析。本文主要對(duì)此規(guī)格開口式主軸箱的剛度進(jìn)行限元分析。用三維設(shè)計(jì)軟件對(duì)主軸箱建立實(shí)體模型,通過有限元軟件計(jì)算其在銑削工況下的應(yīng)力和變形,并根據(jù)計(jì)算結(jié)果以增強(qiáng)剛度為主要目的改進(jìn)主軸箱的結(jié)構(gòu)。為主軸箱的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù), 提高了生產(chǎn)效率。
2.1.2 主軸箱 CAD模型
運(yùn)用三維軟件 So li d Works進(jìn)行建模。建模過程中忽略了螺孔、 凹槽及圓角等對(duì)有限元計(jì)算結(jié)果影響較小的設(shè)計(jì)要素。
2.1.3主軸箱有限元建模
（1） Ansys預(yù)處理
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì), 箱體導(dǎo)軌處剛度值是影響加工精度的主要因素。箱體、 箱蓋螺紋連接處的局部應(yīng)力值對(duì)計(jì)算主軸箱的剛度影響較小,故螺栓連接簡化處理。箱體和箱蓋的連接采用布爾運(yùn)算中 G lue ,方便后續(xù)網(wǎng)格劃分和求解。
（2）材料與屬性
主軸箱采用鑄造, 材料為 HT300 , 密度為 7400kg /m3, 彈性模量為 145GPa , 泊松比為 026 , 長度單位m。忽略溫度的影響[ 3]。
（3）網(wǎng)格劃分
Solid185單元通過 8個(gè)節(jié)點(diǎn)來定義, 每個(gè)節(jié)點(diǎn)有 3個(gè)沿著 xy z方向平移的自由度,單元具有超彈性、 應(yīng)力鋼化、 蠕變、 大變形和大應(yīng)變能力。采用 So l id185單元,主軸箱劃分為 224505個(gè)單元, 共 63149個(gè)節(jié)點(diǎn)。
（4）邊界條件處理
邊界條件是有限元計(jì)算中的關(guān)鍵因素,對(duì)分析結(jié)果有重要影響。分析主軸箱實(shí)際工作狀態(tài), 確定有限元加載的邊界條件。箱體前導(dǎo)軌與立柱前導(dǎo)軌緊密貼合,導(dǎo)軌兩側(cè)被楔鐵固定。設(shè)定為全約束。主軸箱后導(dǎo)軌與立柱后導(dǎo)軌貼合, 此方向被約束, 與前導(dǎo)軌不同,后導(dǎo)軌另外兩個(gè)方向自由度無約束。滾珠絲杠連接處的螺孔三個(gè)方向位移被限定,設(shè)定為全約束。
（5）載荷處理
主軸箱的實(shí)際工況復(fù)雜, 按實(shí)際工況動(dòng)力學(xué)仿真較為困難,考慮主軸箱在銑削剛度最差時(shí)的工況進(jìn)行空間力系靜力分析和計(jì)算?？臻g力系分析時(shí)把滑枕鏜桿裝配體、 后尾筒裝配體視為一體。箱體較重,重力對(duì)剛度的影響不可忽略,考慮重力,對(duì)主軸箱有限元模型加載,主軸箱主要受力如圖 1所示。
1 . 液壓裝置加載在主軸箱的拉力 2 . 重錘加載在主軸箱的拉力3、7 . 滑枕裝配體作用在主軸箱的壓力 4、8 . 靜油壓力 5. 螺栓預(yù)緊力 6. 動(dòng)摩擦力
圖1
2.1.4主軸箱有限元靜力分析
結(jié)構(gòu)靜力分析是用來計(jì)算在固定不變的載荷作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng), 即由穩(wěn)態(tài)外載引起的系統(tǒng)或部件的位移、 應(yīng)力、 應(yīng)變、 和力等。對(duì)有限元模型進(jìn)行靜力求解,節(jié)點(diǎn)總位移云圖如圖 2所示。
主軸箱前側(cè)導(dǎo)軌處的剛度直接影響銑鏜軸的剛度,此處剛度不足必然導(dǎo)致銑鏜軸剛度不足, 加工精度就難以保證, 故有限元靜力分析的關(guān)鍵在于此。圖 2節(jié)點(diǎn)總位移云圖可看出主軸箱前側(cè)導(dǎo)軌面節(jié)點(diǎn)的位移值為: 0.688 x 10 ~ 0.207 x10 m,根據(jù)經(jīng)驗(yàn), 位移值偏大, 剛度不足,不能滿足一定承載條件下加工精度的要求, 故結(jié)構(gòu)需要改進(jìn)。
2.1.5主軸箱改進(jìn)結(jié)構(gòu)及有限元靜力分析
以增強(qiáng)剛度為主要目的, 對(duì)主軸箱進(jìn)行改進(jìn)。箱底加厚 4.5 %, 下箱蓋上下端分別增加 12個(gè)螺孔, 理論上改進(jìn)后箱體結(jié)構(gòu)接近封閉剛體,剛度優(yōu)于改進(jìn)前結(jié)構(gòu)。改進(jìn)前后區(qū)別如圖 3所示。
改進(jìn)前后的主軸箱有限元建模不同之處在于載荷處理時(shí)增加兩排螺栓的預(yù)緊力。對(duì)有限元模型進(jìn)行靜力求解,節(jié)點(diǎn)總位移云圖如圖 4所示。
圖4
主軸箱變形云圖 (圖 4)表明: 主軸箱工作時(shí)應(yīng)力變化平穩(wěn), 產(chǎn)生應(yīng)力集中的可能性較小。主軸箱下箱蓋均布 44個(gè)螺栓孔, 為保證箱體有足夠剛度, 每個(gè)螺栓均施加較大的預(yù)緊力,箱蓋相對(duì)較薄, 且無邊界條件約束, 故最大位移變形值發(fā)生在此處, 值為 0475 10- 4m?；碓趯?shí)際工作中產(chǎn)生的力會(huì)抵消一部分預(yù)緊力, 箱蓋實(shí)際變形小于計(jì)算值。提取主軸箱前側(cè)導(dǎo)軌面上的節(jié)點(diǎn),觀察其位移值,值在 0.528 x10 ~ 0.109 x 10 m,變形小, 能夠保證滑枕在工作時(shí)不因?yàn)橹鬏S箱的變形使加工質(zhì)量降低,保證在一定承載條件下產(chǎn)品具有較高的加工精度。
從表 1可以看出,結(jié)構(gòu)改進(jìn)后主軸箱剛度相對(duì)于改進(jìn)前有較大提高,影響主軸箱加工精度的前側(cè)導(dǎo)軌剛度值提高 14.5 %,理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)構(gòu)優(yōu)化相符。
2. 2高速立式加工中心主軸箱形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)
目前,對(duì)于某項(xiàng)工程或產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),還很難處理方案設(shè)計(jì)、 全系統(tǒng)和全性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題, 一般只能在某個(gè)已確定設(shè)計(jì)方案的前提下,尋求使該方案達(dá)到最佳品質(zhì)、 性能或使其達(dá)到預(yù)定目標(biāo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)(設(shè)計(jì)參數(shù))的最優(yōu)組合.如果沒有形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù),設(shè)計(jì)人員只能通過手工方式不斷地改變?cè)O(shè)計(jì)變量進(jìn)行循環(huán)計(jì)算,并以人工判斷的方式來確定最優(yōu)設(shè)計(jì)的方向, 這是一種非常耗費(fèi)資源的工作,而且很難獲得最優(yōu)結(jié)果, 尤其是當(dāng)設(shè)計(jì)變量較多的時(shí)候.本文基于ANSYS Wo rkbench 的DesignXplorer模塊, 對(duì)高速立式加工中心主軸箱進(jìn)行了形狀優(yōu)化設(shè)計(jì),以尋找在保持各項(xiàng)性能指標(biāo)不降低的情況下主軸箱質(zhì)量最小的設(shè)計(jì)方案.
2.2.1主軸箱有限元分析
(1)主軸箱參數(shù)模型的建立
形狀優(yōu)化的前提是建立參數(shù)化模型,然后運(yùn)用合適的優(yōu)化方法進(jìn)行迭代計(jì)算.高速加工中心主軸箱由安裝部、 主體和頭部組成,如圖5 所示. 把模型中各壁厚、 筋板的厚度和筋板間的距離參數(shù)化, 此主軸箱的優(yōu)化設(shè)計(jì)變量為:安裝部的側(cè)壁的壁厚A 1 ,主體的壁厚A 2 ,頭部側(cè)壁的壁厚A 3 ,頭部上下壁厚A4 ,箱體內(nèi)縱筋板的厚度T 1 ,橫筋板的厚度為T 2 ,兩橫向筋板距箱體中平面的距離分別為X 1、 X 2。
圖5
（2）主軸箱靜力學(xué)分析
在ANSYS Workbench 中, 首先進(jìn)行一次有限元分析是進(jìn)入DesignX -plor er 模塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的前提,在有限元分析結(jié)果中提取需要的參數(shù)作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)變量或者約束變量. 在ANSYS Workbench 中依據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)定主軸箱的材料屬性, 依據(jù)主軸箱在加工中心中的配合關(guān)系設(shè)定主軸箱的約束,由于主軸箱較為復(fù)雜,選擇自由網(wǎng)格換分,把加工中心工作時(shí)的切削受力簡化為三向靜態(tài)力進(jìn)行靜態(tài)分析,提取主軸箱安裝電主軸圓環(huán)面的三向位移. 把提取的主軸箱的三向位移和質(zhì)量參數(shù)化, 為后續(xù)在DesignXplorer 模塊中優(yōu)化準(zhǔn)備變量.
2.2.2形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)
（1）優(yōu)化設(shè)計(jì)的原理
形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本原理是通過構(gòu)建優(yōu)化模型,運(yùn)用各種優(yōu)化方法,通過在滿足設(shè)計(jì)要求條件下的迭代計(jì)算,求得目標(biāo)函數(shù)的極值,得到最優(yōu)化設(shè)計(jì)方案.優(yōu)化問題的數(shù)學(xué)模型可表示為:obj : minf (X ) = f ( x 1 , x 2 , , x n ) ; st : gi (X ) = g i ( x 1 , x 2 , , x 4 ) , ( i= 1, 2, , m) ; X = ( x 1 , x 2 , ,x 4 )T.式中, f (X )為目標(biāo)函數(shù), gi (X )為狀態(tài)變量, X 為設(shè)計(jì)變量.
（2） ANSYS Desig nXplo rer 模塊簡介
ANSYS DesignXplorer 是功能強(qiáng)大而方便易用的多目標(biāo)優(yōu)化模塊, 實(shí)際工程需要多個(gè)優(yōu)化目標(biāo), 工程中需要產(chǎn)品的總體性能較好,而不是某一項(xiàng)指標(biāo)最好.產(chǎn)品多項(xiàng)指標(biāo)皆趨向于最好,而不是某項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到最好而無視其他需要.ANSYS DesignXplorer 模塊內(nèi)含兩中優(yōu)化算法: DOE 方法( 試驗(yàn)設(shè)計(jì)法)和VT 技術(shù)(變分技術(shù)) .DOE 方法(實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法) :根據(jù)輸入?yún)?shù)的數(shù)目, 利用蒙特卡羅抽樣技術(shù)采集設(shè)計(jì)參數(shù)樣點(diǎn), 計(jì)算每個(gè)樣點(diǎn)的響應(yīng)結(jié)果,利用二次插值函數(shù)構(gòu)造設(shè)計(jì)空間的響應(yīng)面或設(shè)計(jì)曲線.VT 技術(shù)(變分技術(shù)) :完全基于單個(gè)單元解,采用泰勒展開以及網(wǎng)格變形技術(shù)得到響應(yīng)面,因此計(jì)算時(shí)間大大減少.
2.2.3優(yōu)化結(jié)果分析
分析結(jié)束后,查看設(shè)計(jì)變量組合對(duì)目標(biāo)函數(shù)的響應(yīng)情況.圖 6中a~ e為部分設(shè)計(jì)參數(shù)組合對(duì)目標(biāo)函數(shù)的響應(yīng)面,從響應(yīng)面圖上可以看出:壁厚A1 和壁厚A2 對(duì)x 向變形位移的影響相似,壁厚A 1、 A 2 比壁厚A3、 A4 對(duì) x 向變形位移的影響明顯,壁厚A 3 和壁厚 A4 對(duì)x 向變形位移的影響相似;壁厚A 1、 A2、 A 3、 A 4比筋厚T1、 T2 對(duì)x 向變形位移的影響明顯, 筋厚T2 比筋厚T1 對(duì)x 向變形位移的影響明顯; 壁厚A1、 A 2、A3、 A4 比距離X 1、 X 2 對(duì)x 向變形位移的影響明顯,筋厚T1、 T2 和距離X 1、 X 2 對(duì) x 向變形位移的影響明。顯,距離 X 2 比壁厚A 1 對(duì)x 向變形位移的影響明顯.上述僅僅描述設(shè)計(jì)變量對(duì) x 向變形位移的影響,設(shè)計(jì)變量對(duì)其它性能指標(biāo)的影響在響應(yīng)面圖上已有清楚的顯示,在這里就不再描述. 從響應(yīng)面上可以直觀地查看設(shè)計(jì)變量的變化對(duì)性能參數(shù)的影響情況,有助于優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果的選擇.優(yōu)化后的性能參數(shù)與優(yōu)化前的性能參數(shù)的對(duì)比如表2 所示.
表2主軸箱優(yōu)化前后各項(xiàng)性能指標(biāo)的對(duì)比
圖6部分設(shè)計(jì)變量組合對(duì)主軸箱的響應(yīng)面圖
2.5結(jié)束語
在三維軟件 Pro/ e中建立主軸箱的參數(shù)化模型, 利用ANSYS Workbench 與Pro/ e具有的直接雙向接口, 把參數(shù)化模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench 中,然后在DesignXplorer 模塊中進(jìn)行多目標(biāo)的基于實(shí)驗(yàn)技術(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì),得到設(shè)計(jì)變量組合對(duì)目標(biāo)函數(shù)的響應(yīng)面, 從響應(yīng)面中查看設(shè)計(jì)變量的變化對(duì)性能參數(shù)的影響情況,進(jìn)而選擇較為理想的擇優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果. 改進(jìn)后的主軸箱在各方面性能都不降低的情況下, 質(zhì)量降低了1. 9% ,從優(yōu)化結(jié)果上也可以知道優(yōu)化前的主軸箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也相當(dāng)合理.基于DesignXplorer 模塊多目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì), 為尋求使設(shè)計(jì)方案達(dá)到最佳品質(zhì)、 性能或使其達(dá)到預(yù)定目標(biāo)的結(jié)構(gòu)參數(shù)( 設(shè)計(jì)變量) 的最優(yōu)組合提供了一種簡便易行的方法.
2.3 機(jī)床主軸部件和主軸箱剛度的試驗(yàn)研究
眾所周知,主軸部件的工作性能對(duì)機(jī)床的加工質(zhì)量和生產(chǎn)率有著重要的影響,而工作性能又在很大程度上取決于主軸部件的剛性。有關(guān)主軸部件剛度的研究,歷來是機(jī)床研究者的熱門課題之一，近十多年來,國內(nèi)許多高校、工廠和研究所對(duì)此亦做了大量工作,對(duì)主軸部件靜、動(dòng)態(tài)特性的研究取得了相當(dāng)大的成績,但對(duì)一些基本問題的研究還不能說是充分的例如由于不同型式的軸承在不同間隙狀態(tài)下的實(shí)際剛度值難于確定等原因,給主軸部件的變形計(jì)算帶來了困難還有,許多研究者往往忽略了支承座或者主軸箱箱體變形對(duì)主軸端部變形的影響我們以上海第二機(jī)床廠自行設(shè)計(jì)的 即車床為對(duì)象,自行研制了一套加載和變形測量裝置,對(duì)該機(jī)床的主軸部件和主軸箱進(jìn)行了系統(tǒng)測試,并與計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算相結(jié)合,比較全面地分析了該機(jī)床在設(shè)計(jì)上的合理性和在結(jié)構(gòu)上的薄弱環(huán)節(jié),提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。
2.3.1主軸部件變形的測量裝置
（1）c6150車床的主軸部件結(jié)構(gòu)
c6150車床的主軸部件結(jié)構(gòu)見圖 的剖面部份它是以前支承和中支承為主,后支承為輔的三支承部件。前、中支承分別是 和團(tuán)錐滾 柱 軸承,螺母通過碟形彈簧來控制預(yù)緊力和補(bǔ)償熱膨脹。后支承是一只單列向心球軸承,它在箱體支承孔。內(nèi)沒有軸向定位。
（2）主軸部件變形的測量裝置
主軸部件變形的測盤裝置由一根通過主軸內(nèi)孔的測最桿和一個(gè)懸吊它的支架系統(tǒng)組成仍見圖7 。測量桿上的三個(gè)長槽分別通過一個(gè)國柱銷各安裝上一個(gè)差動(dòng)變壓器式電感測盆頭,其導(dǎo)線鑲嵌在測里桿的小槽中,并從桿端引出而與電感比較儀的表頭相連測盆頭的杠桿測頭分別與主軸的三個(gè)軸承位置相一致。測里頭底部墊上一個(gè)短圓柱,借螺紋與一 長 鋼 絲 相連從測里桿端通過旋鈕拉動(dòng)鋼絲來移動(dòng)短圓柱,可以方便而精確地調(diào)整杠桿測頭的伸出位置,即零位調(diào)整小板彈簧片可使測量頭始終與短圓柱相接觸。懸吊測盈桿的支架系統(tǒng)由頂板、懸伸臂和 吊臂等組成。試驗(yàn)時(shí),卸下主軸箱的箱蓋,把支架系統(tǒng)的頂板用三只有球形端的螺釘支承在主軸箱箱體頂部。該三只螺釘中一只布置在通過前軸承中心的垂直線上,另兩根布置在通過后軸承中心的垂直線兩側(cè)約 處。懸伸臂上安裝一只扭簧測微儀,可用差動(dòng)螺母調(diào)整其側(cè)頭原始位置頂板上亦安裝了若干千分表,可分別測里主軸和主軸箱的中間箱壁的相對(duì)位移這種測 裝置的結(jié)構(gòu)及其支承方式能方便地測出支承變形包括軸承及其接觸變形和主軸變形,而較好地排除了主軸箱箱體變形和主軸箱緊固螺栓乃至床身變形等對(duì)測最結(jié)果的影響,簡化了數(shù)據(jù)處理,還具有結(jié)構(gòu)簡便和使用方便等優(yōu)點(diǎn)。
圖7c6150車床主軸部件結(jié)構(gòu)和變形測量裝置
（3）加載裝置
加載裝置如圖 所示 它的加載支架上按 軸安裝了三個(gè)與電阻應(yīng)變儀相接的刃 一 型電 阻式荷重傳感器,三者的軸線交于一點(diǎn),并一同頂在模擬工件上加載支架被夾持在四方刀 架上分別旋轉(zhuǎn)三個(gè)加載螺釘,可調(diào)整各向切削分力的大小。
（4）其他
除了上述裝置外,在床身的同一基礎(chǔ)上還設(shè)置了測量支架,其上的千分表可測出主軸箱箱體變形,也能監(jiān)測變形測量裝置的工作情況。
2.3.2主軸部件剛度的測試結(jié)果
加載的方法有兩種采用三向加載裝置對(duì)模擬工件端部加載采用單向加載裝置對(duì)主軸端部祛蘭加載,作用力9000n被測主軸部件的支承情況亦有兩種按原設(shè)計(jì)的三支承狀態(tài)拆除后軸承,使主軸變?yōu)閮芍?承部采用上述兩種不同加載方法在主軸的兩種不同情況下測量主軸端部三個(gè)支承處和主軸箱箱體的中間壁處在向鉛垂方向及 向 在水平面內(nèi)垂直于主軸軸線方向的變形 .
圖8加載裝置
2.3.3主軸箱的剛度試驗(yàn)及分析
使用上述同樣裝置,并在與機(jī)床立于同一基礎(chǔ)的剛性支架上裝上測量表頭,對(duì)主軸箱箱體上的個(gè)點(diǎn)的位移進(jìn)行了測量,以求了解其變形規(guī)律和薄弱環(huán)節(jié)。測量結(jié)果用箱體的五面示圖表示在圖上。試驗(yàn)結(jié)果表明：
整個(gè)箱體發(fā)生平移和扭曲變形右 箱 壁 向上、左及向后變形,變形最較大左箱壁向下、左及向后變形,變形盈較右箱壁小。因?yàn)橄潴w是用螺性與剛性較大的床身相連,而且為上部開口式,箱體上部扭曲明顯大于底部。這種變形直接影響主軸部件的變形和主軸相對(duì)于床身導(dǎo)軌或刀具的位置。為減少這種變形,采取加大主軸箱與床身的連接螺釘或箱壁內(nèi)側(cè)加筋等措施。
中間箱壁除了中間支承座相對(duì)于主軸部件變形計(jì)算基線向下變形 外 該計(jì)算基線即主軸部件前后支承在受力變形前的連線在前、中支 承 的軸承預(yù)緊過程中,它也會(huì)朝主軸箱右箱壁方向傾側(cè),傾側(cè)量也達(dá)邸。由于中間支承的變形較大包括支承座變形,致使主軸前端的變形加大,并使后支承的變形為負(fù)值即相對(duì)于計(jì)算基線向下變形,見表,但是不計(jì)及中間支承座變形和軸承接觸變形的計(jì)算結(jié)果卻為正值，見表中間箱壁的傾側(cè)會(huì)使前、中支承的圓錐滾子軸承的接觸狀況變壞。顯然，加強(qiáng)該機(jī)床主軸箱中間箱璧的剛度是十分必要的。
主軸箱前軸承孔至箱體頂面間的距離偏小,致使該部分發(fā)生局部變形近部m 。這將危及前支承軸承孔的圓度,其后果是顯而易見的。因此須增 加 前支承座的剛度,尤其是軸承孔至箱體頂平面 間 的 壁厚。
表3 單向加力實(shí)驗(yàn)結(jié)果
表4計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果
圖9主軸箱箱體變形
2.3.4結(jié)論
試驗(yàn)結(jié)果以及由計(jì)算機(jī)進(jìn)行的輔助變形計(jì)算表明:
（1）對(duì)于現(xiàn)實(shí)的三支承主軸部件,較佳的方案應(yīng)該 以前.中支承作為主要支承,后支承作為輔助支承;而后支承與中間支承間的距離則可根據(jù)結(jié)構(gòu)的需要來任意選擇。保持最佳支承距的兩 支承主軸 部件 的 剛度,并不比三支承主軸部件的剛度遜色.
（2）支承座以及箱體的變形對(duì)主軸端部的位移有相當(dāng)大的影響.設(shè)計(jì)時(shí)必須在結(jié)構(gòu)上采取措施,以增加支承座與箱體剛性以及它與床身的連接剛性。
（3）本試驗(yàn)所采用的試驗(yàn)裝置及其有關(guān)分析 討論,無疑也適用于其他機(jī)床。
2.4對(duì)于提高數(shù)控機(jī)床主軸箱裝配剛性和精度的有效途徑的研究
主軸箱是數(shù)控機(jī)床最關(guān)鍵的部件之一 其裝配精度的高低直接影響著數(shù)控機(jī)床的制造精度 本文根據(jù)數(shù)控機(jī)床主軸箱及主軸部件的技術(shù)要求 制定了適合數(shù)控機(jī)床主軸部件特點(diǎn)的裝配工藝流程：零件投入- 零件清洗-零件裝配- 間隙選配 -主軸組合 -主軸組合體動(dòng)平衡主軸預(yù)裝準(zhǔn)備- 零件清洗- 主軸預(yù)裝 -主軸箱成裝主軸箱試運(yùn)轉(zhuǎn)- 送檢 -總裝 以下從裝配角度分析主軸箱裝配過程中影響裝配質(zhì)量 裝配精度的主要因素及關(guān)鍵保證環(huán)節(jié)。
（1）主軸與軸承及軸承套箱體孔的定間隙裝配
主軸與軸承及軸承套箱體孔的配合選用優(yōu)化定間隙 既能保證配合間隙的合理 又可獲得良好的支承剛性機(jī)床設(shè)計(jì)圖上一般都選擇了配合公差 但其公差帶分布范圍大 采用互換法滿足不了數(shù)控機(jī)床主軸部件對(duì)溫升與剛性的要求 通過多年的實(shí)踐 我們確定了數(shù)控車床主軸部件的配合定隙表 見附表5。
表5
在檢測選擇定間隙配合時(shí) 應(yīng)檢測工件的圓度 錐度 其公差一般應(yīng)控制在0.003mm以內(nèi) 圓度從嚴(yán)要求 經(jīng)選配后應(yīng)在工件明顯位置上標(biāo)注出大直徑的位置 以便于部件裝配時(shí)盡可能地使配合工件大直徑對(duì)準(zhǔn)大直徑 減少裝配變形 在測量工件直徑時(shí)應(yīng)每相鄰45度記錄一次 直徑按測量的平均值計(jì) 在測量錐度時(shí)寬度大于23mm 的孔與軸都應(yīng)在前后位置上每相鄰90度檢測一次 見圖10.
圖10
（2）主軸與軸承及軸承套箱體孔的定向裝配
主軸與軸承采用定向裝配的目的就是在現(xiàn)有工件精度條件下 通過定向裝配的手段選擇最佳裝配方向 以提高工件組合后和部件裝配后的幾何精度。
①主軸錐孔軸線徑向圓跳動(dòng)高點(diǎn)檢測
主軸前后支撐軸頸位于 J 形座上 在位于主軸端300mm處每相隔90度 插入一次檢驗(yàn)棒 檢測主軸錐孔軸線徑向圓跳動(dòng)高點(diǎn) 如僅有一處高點(diǎn) 在高點(diǎn)同相位上標(biāo)注高點(diǎn)位置 如有兩處高點(diǎn) 則在中間位置上做出標(biāo)注 注意在主軸的軸向上多做幾處標(biāo)注 便于在部件成裝工序裝配后軸承時(shí)觀察標(biāo)注點(diǎn)的方位 防止后軸承的方位弄錯(cuò) 在主軸上配鍵 裝入齒輪 帶輪等工件 然后重新檢測主軸錐孔軸線徑向圓跳動(dòng)高點(diǎn) 裝工件前與裝工件后的高點(diǎn)相位應(yīng)一致 否則應(yīng)重新修配被裝入的工件 直到相位一致為止。
②軸承內(nèi)圈徑向高點(diǎn)的檢測
主軸上的軸承在設(shè)計(jì)時(shí)或在訂貨時(shí)應(yīng)向軸承廠提出設(shè)計(jì)或工藝所需的檢驗(yàn)項(xiàng)目 一般應(yīng)檢查的項(xiàng)目有 軸承內(nèi) 外圈的直徑 內(nèi)圈的徑向圓跳動(dòng)高點(diǎn) 端面振擺及成組軸承在設(shè)計(jì)軸向負(fù)荷下的軸向間隙和徑向游隙。
如果需自檢軸承內(nèi)圈跳動(dòng)高點(diǎn)時(shí) 應(yīng)使軸承外圈定位 在軸承內(nèi)圈插入約15kg重的檢驗(yàn)棒 回轉(zhuǎn)檢驗(yàn)棒測得內(nèi)環(huán)跳動(dòng)高點(diǎn) 并在內(nèi)圈端面上標(biāo)注所測值 詳見圖11.
圖11
③主軸與軸承的定向裝配
由于主軸內(nèi)錐孔軸線前后軸承內(nèi)圈都標(biāo)注有徑向圓跳動(dòng)的高點(diǎn) 在此基礎(chǔ)上使其徑向圓跳動(dòng)高點(diǎn)都處于同一截面內(nèi)進(jìn)行分析 見圖11其中 圖11a b為前后軸承內(nèi)圈高點(diǎn)位于主軸同側(cè)a圖為主軸高點(diǎn)偏向回轉(zhuǎn)中心線 b圖為主軸高點(diǎn)背向回轉(zhuǎn)中心線 圖c d為前
后軸承內(nèi)圈高點(diǎn)位于主軸兩側(cè) c圖為主軸高點(diǎn)偏向回轉(zhuǎn)中心線d圖為主軸高點(diǎn)背向回轉(zhuǎn)中心線。
圖12
由圖12可以作出判斷 當(dāng)主軸錐孔軸線距主軸端300mm處的徑向圓跳動(dòng) ) 前軸承內(nèi)圈的徑向圓跳動(dòng)" 后軸承內(nèi)圈的徑向圓跳動(dòng) ’ 都是定值時(shí) 因主軸錐孔軸線徑向圓跳動(dòng)的高點(diǎn)與軸承內(nèi)圈徑向圓跳動(dòng)高點(diǎn)相位不同可導(dǎo)致裝配出的主軸箱部件的主軸錐孔軸線徑向圓跳動(dòng)有著極為明顯的差異 惟有圖3a前后軸承內(nèi)圈高點(diǎn)位于主軸同側(cè)又與主軸錐孔軸線距主軸端300mm處的徑向圓跳動(dòng)高點(diǎn)相向裝配時(shí) 才能得到較好的精度 圖11a是四種選配方式中最佳的一種 另外還可在圖3a的基礎(chǔ) 對(duì)前后軸承內(nèi)圈跳動(dòng)高點(diǎn)進(jìn)行搭配 選擇出距主軸端300mm處的主軸錐孔徑向圓跳動(dòng)在理論上為零的最佳方案。
（3）主軸上軸承預(yù)緊量的控制
主軸上軸承預(yù)緊是為了控制軸承的裝配游隙和工作游隙 軸承預(yù)緊量直接影響主軸系統(tǒng)的剛性和軸承的溫升 在機(jī)床各部件裝配中是最困難的一個(gè)環(huán)節(jié) 只有正確的掌握軸承的預(yù)緊量大小 才能裝配出剛性強(qiáng) 溫升低的主軸部件 我們主要采取以下兩種方式控制主軸軸承的預(yù)緊量。
①用公式計(jì)算軸承的預(yù)緊量
②用實(shí)測法測出滾動(dòng)軸承軸向預(yù)緊量
a角接觸球軸承
在軸向上支撐軸承外圈 在軸承內(nèi)圈上施加相當(dāng)于主軸系統(tǒng)的軸向力 在平板上用杠桿千分表測出軸承內(nèi)圈外端面在軸面上的差值 該值為單軸承的軸向預(yù)緊量 對(duì)于成組裝配的軸承按所有軸承裝配形式的代數(shù)和求算軸承軸向預(yù)緊量 見圖4.
b調(diào)心滾子軸承預(yù)緊量
把軸承預(yù) 裝 到 主 軸 上在軸承和圓螺母間裝一 個(gè) 工 藝 環(huán) 套擰 緊 主 軸 上 圓 螺母 通過工藝環(huán)套對(duì)軸承內(nèi)圈加軸向力 使軸承外圈剛剛不能自由滑落然后在軸承外圈上施加30N的徑向力 檢測軸承外圈的位移量 此位移量可作為軸承的裝配間隙 一般控制在0-0.002mm此時(shí)軸承內(nèi)圈在主軸上軸向的位置即是軸承預(yù)緊后的位置 可通過測量手段測出軸承內(nèi)圈端面至主軸軸肩的距離 此段距離公差應(yīng)控制在0.01mm之內(nèi) 見圖13.
圖13
（4）主軸組合裝配
①軸承滾道潤滑脂的注入量
數(shù)控機(jī)床主軸軸承多采用油脂潤滑 采用潤滑脂結(jié)構(gòu)簡單 無需配置專門的潤滑裝置 在制造中加入潤滑脂后 可保證數(shù)年使用 一般球軸承潤滑脂的注入量可控制在滾道空間的15%滾子軸承可控制在10%。
軸承滾道空間體積的計(jì)測法是 在軸承一側(cè)的內(nèi)圈 外圈端面上均勻涂布微量潤滑脂并將帶脂的一側(cè)放到平板上或玻璃板上 用量杯盛入煤油或T4PD -全損耗系統(tǒng)用油 向軸承滾道內(nèi)注液并計(jì)取剛注滿時(shí)的液體注入量以求得軸承滾道空間的體積。
軸承滾道潤滑脂的注入量：
②用溫差法裝配主軸
對(duì)有配合關(guān)系的工件加溫 降溫 使過盈配合的工件在裝配時(shí)產(chǎn)生較大的間隙 成為瞬間的間隙配合 避免了裝配過程中的機(jī)械擠壓與損傷 從而達(dá)到比較好的配合狀態(tài) 其具體實(shí)施工藝是：
a.軸承加熱到比室溫高40度用醫(yī)用注射器把潤滑脂按量注入到軸承滾道中 各滾動(dòng)體間 各滾柱端面都應(yīng)均勻注入潤滑脂 然后使軸承內(nèi)圈標(biāo)注點(diǎn)與主軸標(biāo)注點(diǎn)對(duì)正裝入 成組軸承應(yīng)注意順序 軸承內(nèi)圈外圈配合較緊的應(yīng)靠近主軸頭端一側(cè) 特別注意各軸承內(nèi)圈外圈的標(biāo)注點(diǎn)應(yīng)在同一相位上。
b.加熱軸承使之與所配工件溫差在30度左右 然后使軸承套圓度大直徑與軸承外圈大直徑標(biāo)注點(diǎn)對(duì)正裝入。
c.裝入前支撐處的其余工件 裝入圓螺母并進(jìn)行調(diào)整 因?yàn)檩S承軸向預(yù)緊量已選擇好 圓螺母緊固后再稍微向反方向松動(dòng)一下即可調(diào)整好軸承的預(yù)緊量。
d. 以主軸前支承座為支點(diǎn) 千分表座吸附在軸承套上 千分表頭觸及在主軸后支撐軸頸上 回轉(zhuǎn)主軸檢測主軸后軸頸跳動(dòng) 其值在工藝控制范圍內(nèi)為合格 反之應(yīng)調(diào)整圓螺母直至合格 見圖6.
圖14
（5）主軸箱部裝
加熱主軸箱體高于室溫40度 箱體孔端面螺孔擰入工藝導(dǎo)向桿 箱體后支承孔裝入導(dǎo)向工藝套 主軸組合體的軸承套與箱體孔圓度大直徑對(duì)正 在箱體端面上工藝導(dǎo)向桿與箱體后工藝導(dǎo)向套的引導(dǎo)下 可迅速地將主軸組合體推入箱體孔內(nèi) 并緊固好各螺釘 后支承處的軸承與軸承套也應(yīng)用定向定隙溫差法組合 當(dāng)后支承的組合體向主軸箱上裝配時(shí) 必須注意軸承內(nèi)圈標(biāo)注點(diǎn)應(yīng)與主軸上的標(biāo)注點(diǎn)對(duì)正裝入 裝配完畢后應(yīng)用木錘敲擊箱體前后支承處釋放裝配應(yīng)力。
主軸箱體或單元體試車前后都應(yīng)檢測主軸錐孔軸線的徑向圓跳動(dòng) 跳動(dòng)值變化越小證明裝配質(zhì)量越好。
3.總結(jié)體會(huì)
主軸箱是機(jī)床的動(dòng)力源將動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)傳遞給機(jī)床主軸的基本環(huán)節(jié)，其機(jī)構(gòu)復(fù)雜而巧妙，這次設(shè)計(jì)的效果沒有預(yù)計(jì)的輕松。由于在時(shí)間上拖了下來，而且所學(xué)的知識(shí)內(nèi)容也很不理想。我接受的設(shè)計(jì)任務(wù)是對(duì)車床的主軸箱進(jìn)行設(shè)計(jì)。主軸箱的結(jié)構(gòu)繁多，我省去了很多細(xì)部結(jié)構(gòu)。從這點(diǎn)讓我深深的體會(huì)到“科技是第一生產(chǎn)力”這句話的正確與嚴(yán)峻性。在設(shè)計(jì)中我們也遇到了其它許多棘手的問題，但是有問題就問，在設(shè)計(jì)過程中經(jīng)常去網(wǎng)上查資料，去圖書館找對(duì)應(yīng)的專業(yè)書籍，并且書上看不懂的找導(dǎo)師去問，雖然所學(xué)知識(shí)有限，但最后還是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的效果。
對(duì)于一次設(shè)計(jì)來說，總體安排很重要。這次設(shè)計(jì)由于總體安排剛開始的時(shí)候沒有很合理的制定，所以工作量的實(shí)際大小與工作的具體性質(zhì)不是很明確，以致在開始的幾周里沒有什么實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。在隨后的工作過程中我注意了這一點(diǎn)，經(jīng)常通宵熬夜，所以進(jìn)度才勉強(qiáng)趕了上來，不過時(shí)間還是緊了點(diǎn)。對(duì)但最終我還是努力完成了設(shè)計(jì)任務(wù)。
畢業(yè)設(shè)計(jì)是本科學(xué)習(xí)階段一次非常難得的理論與實(shí)際相結(jié)合的機(jī)會(huì)，通過這次比較完整的主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，我擺脫了單純的理論知識(shí)學(xué)習(xí)狀態(tài)，和實(shí)際設(shè)計(jì)的結(jié)合鍛煉了我的綜合運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，解決實(shí)際問題的能力。同時(shí)也提高我查閱文獻(xiàn)資料、設(shè)計(jì)手冊(cè)、設(shè)計(jì)規(guī)范以及電腦制圖等其他專業(yè)能力水平，而且通過 對(duì)整體的掌控，對(duì)局部的取舍，以及對(duì)細(xì)節(jié)的斟酌處理，都使我的能力得到了鍛煉，經(jīng)驗(yàn)得到了豐富，并且意志品質(zhì)力，抗壓能力及耐力也都得到了不同程度的提 升。這是我們都希望看到的也正是我們進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的所在。
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