毕业设计论文基于有限元方法对C6140机床主轴的分析.docx

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毕业设计论文基于有限元方法对C6140机床主轴的分析

毕业设计说明书

基于有限元方法对C6140机床主轴的分析

学院：

专业：

班级：

指导教师：

学生姓名：

2011．5．10

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、汽车工业、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。

C6140机床是最常见的一款普通手动车削机床，该机床结构较为简单，操作方便，加工精度高，价格低廉，因此得到了广泛的使用。

目前很多C6140机床都做了适当的改进，使其适用性得到了更大的提高。

本设计是基于ANSYS软件来对C6140机床主轴经行分析。

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PRO/E来建立C6140机床主轴的三维模型。

再将此模型导入ANSYS软件来对其经行分析。

关键词C6140；主轴；三维建模；ANSYS；动静态分析

Qq945846125

Abstract

ANSYS（finiteelement）packageisamulti-purposefiniteelementmethodforcomputerdesignprogramthatcanbeusedtosolvethestructure,fluid,electricity,electromagneticfieldsandcollisionproblems.Soitcanbeappliedtothefollowingindustries:

aerospace,automotive,biomedical,bridges,construction,electronics,heavymachinery,micro-electromechanicalsystems,sportsequipmentandsoon.

C6140machineisthemostcommonaregularmanualturningmachine,themachinestructureissimple,convenientoperation,highprecision,lowprices,ithasbeenwidelyused.Atpresent,manyhavemadetheappropriateC6140machineimprovements,ithasbeengreatlyenhancedapplicability.

ThedesignisbasedonANSYSsoftwaretoC6140bythelineofspindle.Comparedwiththetraditionalcalculation,computer-basedfiniteelementanalysismethodcanbefasterandmoreaccurateresults.Setthecorrectmodel,dividingtherightgrid,andsetareasonablesolutionprocess,analyticalmodelcanaccuratelyaccessthevariouspartsofthestressanddeformationresults.Onthepartofthedesignandoptimizationhasgreatreference.

Itisbecauseoftheseadvantages,theuseofthisdesigninmyPRO/Etocreatethree-dimensionalmodelC6140spindle.ThenthismodelwasintroducedbytheANSYSsoftwaretoitslineofanalysis.

KeywordsC6140;spindle;three-dimensionalmodeling;ANSYS;dynamicandstaticanalysis

前言

目前工程中以广泛使用计算机辅助工程软件（CAE），商业化的CAE软件技术种类有很多，其中包括有限元法（FEM,即FiniteElementMethod）,边界元法（BEM,即BoundaryElementMethod），有限差法（FDM,即FiniteDifferenceElementMethod）等。

每一种方法各有其应用的领域，而其中有限元法应用的领域越来越广，现已应用于结构力学、结构动力学、热力学、流体力学、电路学、电磁学等。

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、汽车工业、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。

ANSYS软件主要包括三个部分：

前处理模块，分析计算模块和后处理模块。

前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示、立体切片显示、透明及半透明显示等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。

软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。

该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY等。

正因为该软件方便的操作性和计算结果的准确性，所以得到了很大的使用和推广。

特别是在机床的设计中，各大公司普遍才用ANSYS软件来对机床的静态：

如应力、应变等，动态：

如固有频率、谐响应等，以及热量传递等做分析。

在本设计中我通过运用PRO/E来建立C6140机床主轴的三维模型。

再通过通用数据传输格式（I-GES）将此模型导入ANSYS软件，合理设置各个分析参数来对其经行整体受力分析。

最终得到了各项数据。

第一章分析方法和研究对象

1.1ANSYS简介

ANSYS由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer,NASTRAN,Alogor,I－DEAS,AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAE工具之一。

1.1.1ANSYS的主要应用领域

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、汽车工业、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。

1.1.2ANSYS操作界面

图1-1ANSYS操作界面

ANSYS操作界面如上图1-1所示，目前还没有汉化版本，主要使用的是10.0版本。

该软件的操作界面比较复杂，特别是建模部分较为繁琐。

因此一般都是用三维软件建模，再将模型导入ANSYS经行网格划分和分析计算。

这样能大大的提高工作效率。

图1-2ANSYS可视化分析结果

ANSYS的优点就在于，可以对分析结果经行可视化分析。

如上图1-2。

零件的应力采用不同的颜色被表示出来，给设计人员更加直观的影响。

1.1.3ANSYS主要分析步骤

静力分析的定义：

静力分析计算在固定不变的载荷作用下结构的响应，即由于稳态外载引起的系统或部件的位移、应力、应变。

同时，结构静力分析还可以计算那些固有不变的惯性载荷以及那些可以近似为静力作用的随时间变化的载荷对结构的影响。

静力分析中的载荷静力分析用于计算有那些不包括惯性和阻尼效应的载荷作用于结构或部件上引起的位移、应力、应变和力。

固定不变的载荷和响应是一种假定：

即假定载荷和结构的响应随时间的变化非常缓慢。

静力分析所施加的载荷包括：

（1）外部施加的作用力和压力；

（2）稳态的惯性力；（3）位移载荷；（4）温度载荷。

我们以静力分析为例来介绍一下ANSYS。

主要分析步骤：

1、确定结构的分析方案（线、面、体）：

桁架、壳、实体等；注意线性单元和高次单元的使用；对称性等简化方法的运用；

2、根据分析的类型确定单元类型、实常量等，特别是单元类型的某些选项，对于某些分析十分重要；

3、设定材料模型；

4、采用各种方法建立模型。

在进行布尔运算时特别注意运算对以后分析的影响，尤其是在某些情况下有些网格较难生成，因此对于布尔运算要慎重考虑，为解决该问题应尽量采用几何体素直接建模；

5、将材料、实常量等参数赋给模型，在某些情况下可以同时指定方向点；

6、按情况划分网格：

自由网格或自由网格，设置合适的网格密度等，尤其注意网格设置；

7、在生成节点和单元后，根据实际情况定义接触单元、自由度的耦合及约束方程等；

8、施加力和约束等；

9、求解：

注意设置合适的求解选项；

10、进入后处理菜单获得计算结果等。

ANSYS提供两种后处理方式，即POST1和POST26。

前者用于处理整个模型在某一载荷步（时间点）的结果。

后者处理模型中特定点在所有载荷步（整个瞬态过程）的结果。

结果均可用彩色云图、矢量图和列表来显示；

11、评价分析结果。

1.2研究对象

本文将对常见的C6140型号机床（如图1-3）的主轴经行综合分析C6140车床型号解释床身上最大回转直径为400mm的卧式车床的型号为：

类代号：

车床类

组、系代号：

卧式车床

主参数：

Φ400mm

图1-3C6140车床

C1640型号的普通机床通用性较好，它适合用于加工各种轴类、套同类和盘类零件上的回转表面。

C1640车床有24个转速，其中最高转速为1400转/分。

1.2.1C6140车床简介

C6140普通车床主要组成部件有：

主轴箱、交换齿轮箱、进给箱、溜板箱、刀架、尾架、光杠、丝杠、床身、床脚和冷却装置。

主轴箱：

又称床头箱，它的主要任务是将主电机传来的旋转运动经过一系列的变速机构使主轴得到所需的正反两种转向的不同转速，同时主轴箱分出部分动力将运动传给进给箱。

主轴箱中等主轴是车床的关键零件。

主轴在轴承上运转的平稳性直接影响工件的加工质量，一旦主轴的旋转精度降低，则机床的使用价值就会降低。

图1-4C6140的传动原理图

进给箱：

又称走刀箱，进给箱中装有进给运动的变速机构，调整其变速机构，可得到所需的进给量或螺距，通过光杠或丝杠将运动传至刀架以进行切削。

丝杠与光杠：

用以联接进给箱与溜板箱，并把进给箱的运动和动力传给溜板箱，使溜板箱获得纵向直线运动。

丝杠是专门用来车削各种螺纹而设置的，在进行工件的其他表面车削时，只用光杠，不用丝杠。

同学们要结合溜板箱的内容区分光杠与丝杠的区别。

溜板箱：

是车床进给运动的操纵箱，内装有将光杠和丝杠的旋转运动变成刀架直线运动的机构，通过光杠传动实现刀架的纵向进给运动、横向进给运动和快速移动，通过丝杠带动刀架作纵向直线运动，以便车削螺纹。

刀架：

有两层滑板（中、小滑板）、床鞍与刀架体共同组成。

用于安装车刀并带动车刀作纵向、横向或斜向运动。

尾架：

安装在床身导轨上，并沿此导轨纵向移动，以调整其工作位置。

尾架主要用来安装后顶尖，以支撑较长工件，也可安装钻头、铰刀等进行孔加工。

床身：

是车床京都要求很高的带有导轨（山形导轨和平导轨）的一个大型基础部件。

用于支撑和连接车床的各个部件，并保证各部件在工作时有准确的相对位置。

冷却装置：

冷却装置主要通过冷却水泵将水箱中的切削液加压后喷射到切削区域，降低切削温度，冲走切屑，润滑加工表面，以提高刀具使用寿命和工件的表面加工质量。

C6140车床的主要参数如下：

床身上最大的工件回转直径400mm

刀架上最大工件回转直径210mm

最大的工件长度750mm1000mm1500mm2000mm

最大车削长度650mm900mm1400mm1900mm

主轴中心至床身平导轨距离205mm

主轴内控直径48mm

刀架最大行程：

纵向650mm900mm1400mm1900mm横向320mm小滑板140mm

主轴内孔锥度莫氏6号

主轴转速：

正转24级10～1400r/min

反转12级14～1500r/min

进给量：

纵向64级0.028～6.33mm/r

横向64级f横≈0.5f纵

刀架快速移动速度4m/min

车削螺纹范围：

公制螺纹44种T＝1～192mm

英制螺纹20种a＝2～24牙/in

模数螺纹39种m＝0.25～48mm

径节螺纹37种DP＝1～96牙/in

主电动机7.5KW1450r/min

刀架快速移动电动机0.25KW2800r/min

机床型号:

C6140

顶尖距离L:

750,1000,1500,2000

中心高H:

205

加工最大直径|在床面以上:

400

加工最大直径|在横刀架以上:

210

加工最大直径|在溜板以上:

刀具支持面至中心线高度M:

26

刀架|最大行程|纵向:

刀架|最大行程|横向:

320/260

刀架|最大行程|小刀架:

140/130

刀架|小刀架回转角:

±90°

尾座|最大横向移动量:

尾座|套筒移动量:

150

尾座|莫氏锥度号数:

5

1.2.2C6140车床主轴箱

主轴箱固定在床身的左上部。

主轴箱内装有主轴部件及主轴变速机构。

主轴前端可安装卡盘。

花盘等夹具，用以装夹工件并带动工件旋转，实现主运动。

主轴箱结构：

主轴箱设计图由展开图与剖面图组成。

C6140车床主轴箱展开图1-4：

（1）I轴组件：

皮带轮的卸荷结构；片式摩擦离合

器M1的结构、操纵、M1的过载保护作用及其

调整；制动器（刹车）及其操纵。

（2）主轴组件：

主轴、轴承、传动件、密封件。

轴承的间隙调整。

（3）其他轴。

图1-5C6140车床主轴箱

C6140主运动链是等比传动的，公比1.26；主运动有24级等比转速。

传动类型为分支传动；低速分支不仅是主运动的变速组又是螺纹进给链的扩大组；低速分支有两个精确传动比：

1/4、1/16将螺纹基本导程扩大4、16倍；螺纹链是内联系传动链，主运动是外联系传动链，因而首先保证螺纹进给链的需求主运动只能是简单运动。

不可能为复合运动。

CA6140机动车削时，主运动是主轴的旋转运动；车削螺纹时，成形运动是复合运动——螺旋线运动，它分解为主轴的旋转（主运动）和刀具的移动（进给运动）。

图1-6C6140主运动正转路线

图1-7C6140转速分布图

1.2.3C6140车床主轴

CA6140车床主轴是一个空心的阶梯轴。

其内孔可用来通过棒料，拆卸顶尖，安装夹紧装置的杆件。

主轴前端有精密的莫氏锥孔，供安装顶尖或心轴之用。

主轴前端安装卡盘、拨盘或其它夹具。

图1-8C6140车床主轴

通过查阅并参考了《金属切削机床设计指导》、《金属切削机床构造与设计》、《机床设计手册》等相关资料，最终获得了C6140机床主轴的相关尺寸数据，其主轴简图如下所示：

图1-9C6140车床主轴简图

1-主轴;2、9-锁紧螺母;3-双列短圆柱滚子轴承;4、6-套筒;5、10-锁紧盘;7-推力球轴承;8-角接触球轴承;

C6140机床主轴的作用主要是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。

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。

①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。

②动、静刚度：

主要决定于主轴的弯曲刚度、轴承的刚度和阻尼。

③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。

第二章C6140机床主轴的模型建立

2.1主轴二维制图

根据各个材料所查得的数据，我们首先在AutoCAD中建立，C6140机床主轴的二维图形。

AutoCAD的功能强大主要有以下几点：

1.平面绘图能以多种方式创建直线、圆、椭圆、多边形、样条曲线等基本图形对象。

2.绘图辅助工具AutoCAD提供了正交、对象捕捉、极轴追踪、捕捉追踪等AutoCAD的操作界面绘图辅助工具。

正交功能使用户可以很方便地绘制水平、竖直直线，对象捕捉可帮助拾取几何对象上的特殊点，而追踪功能使画斜线及沿不同方向定位点变得更加容易。

3.编辑图形AutoCAD具有强大的编辑功能，可以移动、复制、旋转、阵列、拉伸、延长、修剪、缩放对象等。

4.标注尺寸可以创建多种类型尺寸，标注外观可以自行设定。

5.书写文字能轻易在图形的任何位置、沿任何方向书写文字，可设定文字字体、倾斜角度及宽度缩放比例等属性。

6.图层管理功能图形对象都位于某一图层上，可设定图层颜色、线型、线宽等特性。

7.三维绘图可创建3D实体及表面模型，能对实体本身进行编辑。

8.网络功能可将图形在网络上发布，或是通过网络访问AutoCAD资源。

9.数据交换AutoCAD提供了多种图形图像数据交换格式及相应命令。

画好C6140机床主轴的二维图后，就要对其经行各项标注，包括位置精度、表面质量等信息。

最终的二维图纸如下所示：

图2-1C6140车床主轴二维图纸

2.2主轴三维建模

三维建模的软件很多，常用的有CATIA、UG、PROE、SOLIDWORKS等。

他们都有各自的特点，使用与不同的领域。

在机械零件的建模上，一般用PROE。

所以，在对C6140机床主轴的模型建立上，采用了PROE软件。

2.2.1PROE软件简介

proe是美国PTC公司旗下的产品Pro/Engineer软件的简称。

Pro/E（Pro/Engineer操作软件）是美国参数技术公司（ParametricTechnologyCorporation，简称PTC）的重要产品。

是一款集CAD/CAM/CAE功能一体化的综合性三维软件，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，并作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今最成功的CAD/CAM软件之一。

图2-1PROE建模界面

经过20多年不断的创新和完善，pore现在已经是三维建模软件领域的领头羊之一，它具有如下特点和优势：

1.参数化设计和特征功能

Pro/Engineer是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角，您可以随意勾画草图，轻易改变模型。

这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。

2.单一数据库

Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上，不象一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。

所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。

换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。

例如，一旦工程详图有改变，NC（数控）工具路径也会自动更新；组装工程图如有任何变动，也完全同样反应在整个三维模型上。

这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计结合起来。

这一优点，使得设计更优化，成品质量更高，产品能更好地推向市场，价格也更便宜。

3.全相关性：

Pro/ENGINEER的所有模块都是全相关的。

这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据。

全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修改，却没有任何损失，并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。

4.基于特征的参数化造型：

Pro/ENGINEER使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。

这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易的进行修改。

例如：

设计特征有弧、圆角、倒角等等，它们对工程人员来说是很熟悉的，因而易于使用。

装配、加工、制造以及其它学科都使用这些领域独特的特征。

通过给这些特征设置参数（不但包括几何尺寸，还包括非几何属性），然后修改参数很容易的进行多次设计叠代，实现产品开发。

5.数据管理：

加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。

为了实现这种效率，必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。

数据管理模块的开发研制，正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，由于使用了Pro/ENGINEER独特的全相关性功能，因而使之成为可能。

6.装配管理：

Pro/ENGINEER的基本结构能够使您利用一些直观的命令，例如“啮合”、“插入”、“对齐”等很容易的把零件装配起来，同时保持设计意图。

高级的功能支持大型复杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数量不受限制。

7.易于使用：

菜单以直观的方式联级出现，提供了逻辑选项和预先选取的最普通选项，同时还提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助，这种形式使得容易学习和使用。

2.2.2PROE建立主轴模型方法

使用PROE软件建立C6140车床主轴的三维模型，可以通过PROE强大的交互式绘图来完成。

这样只要参考二维图纸里的基本尺寸，建立各个特征，最终建立三维模型。

但是这样步骤比较繁琐，花费时间较多。

如何通过AutoCAD软件已经画好了C6140车床主轴图纸，在PROE软件中转化为三维模型，就能节省大量的人力和物力。

具体的流程图如下所示：

图2-2三维建模流程

通过CAD软件间的通用数据传输，我们把AutoCAD中的二维图纸，经过修改最后导入到了PROE软件当中。

并建立起了C6140车床主轴的三维模型。

第一步：

编辑CAD中的主轴端面；

第二步：

打开PROE建立草绘，通过文件数据传输，把已经建好的CAD二维视图调入PROE草绘当中，如图2-3：

图2-3草绘

第三步：

对截面经行旋转特征操作，再增加键槽、螺纹等细节特征，最终的刀主轴的三维视图如下。

a视图

b视图

图2-4C6140车床主轴的三维模型

图2-5主轴渲染

保存PROE中的三维模型，并且另存一份I-GES格式的文件。

再之后对车床主轴的有限元分析中要使用到这种格式，具体在下面的章节提到。

第三章C6140机床主轴的受力特点

3.1主轴组件的布局

机床主轴有前、后两个支承和前、中、后三个支撑两种，以前这较常见。

两支承主轴轴承的配置形式，包括主轴轴承的选型、组合以及布置，主要的根据对所设计主轴组件在转速、承载能力、刚度以及精度等方面的要求，并考虑轴承的供应、经济性等