插齒刀數(shù)控磨床虛擬裝配及加工動(dòng)態(tài)特性分析 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū).doc

編號(hào) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)插齒刀數(shù)控磨床虛擬裝配及加工動(dòng)態(tài)特性分析the virtual assemblies and machining dynamic analysis of cnc grinding machine for gear shaper cutter學(xué) 生 姓 名專 業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化學(xué) 號(hào)指 導(dǎo) 教 師學(xué) 院二一一年六月 摘要插齒刀作為齒輪加工的重要刀具，已經(jīng)廣泛應(yīng)用工業(yè)加工中，隨著機(jī)械行業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)傳動(dòng)的要求更加的嚴(yán)格與精確，在傳動(dòng)中扮演著重要角色的齒輪成為改進(jìn)的關(guān)鍵，所以對(duì)于插齒刀的研究也越來(lái)越多。本文從研究插齒刀加工制造方面出發(fā)，針對(duì)凸曲前刀面硬質(zhì)合金插齒刀的形狀特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了加工插齒刀凸曲前刀面的數(shù)控磨床，完成了數(shù)控磨床的建模及模態(tài)分析。對(duì)于插齒刀數(shù)控磨床的研究旨在提高凸曲前刀面硬質(zhì)合金插齒刀的加工精度與加工效率，完成對(duì)于凸曲前刀面的加工，為凸曲前刀面硬質(zhì)合金插齒刀的工業(yè)應(yīng)用提供參考。關(guān)鍵詞： 數(shù)控磨床 模態(tài)分析 力學(xué)分析 abstractcarbide gear shaper cutter as a main tool of cutting gear is widely used in mechanical industry. as the development of mechanical industry, it needs more exact and strict mechanical transmissions. so improving the gear which is playing an important role is the key . depending the fact, more people pay attention to gear shaper cutter.depending the carbide gear shaper cutter with convex rake face, we design the nc grinder, finish the catia solid model and analyse the nc grinder in finite element analysis software of ansys. studying nc grinder aims to improve machining precision and machining efficiency in manufacturing the carbide gear shaper cutter with convex rake face and provide reference for using it in mechanical industry. keywords：nc grinder；model analysis；mechanics analysis 35目錄摘要iabstractii第1章 緒論11.1 數(shù)控磨床的發(fā)展現(xiàn)狀11.2 插齒刀在工業(yè)中的應(yīng)用及研究2第2章 插齒刀數(shù)控磨床52.1 插齒刀數(shù)控磨床研究的意義52.2 機(jī)床設(shè)計(jì)原則72.2.1 機(jī)床設(shè)計(jì)的基本要求和主要評(píng)定指標(biāo)72.2.2 機(jī)床的方案設(shè)計(jì)92.3 導(dǎo)軌設(shè)計(jì)92.4砂輪軸的設(shè)計(jì)122.5支撐件的設(shè)計(jì)142.5.1 支撐件的功能142.5.2 支撐件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)142.6 進(jìn)給傳動(dòng)系設(shè)計(jì)152.7 小結(jié)15第3章 插齒刀數(shù)控磨床的模態(tài)分析173.1 數(shù)控磨床的建模173.1.1對(duì)數(shù)控磨床進(jìn)行建模173.2 模態(tài)分析183.2.1 導(dǎo)入模型，接觸對(duì)的檢查，網(wǎng)格劃分193.2.2 對(duì)模型進(jìn)行邊界的約束193.2.3 求解結(jié)果203.2.4 小結(jié)23第4章 砂輪軸受力分析244.1砂輪軸的受力分析及功率計(jì)算244.1.1 磨削類型的劃分244.1.2 磨削力的計(jì)算254.2 砂輪軸受力變形分析29結(jié) 論33參考文獻(xiàn)34致 謝35第1章 緒論1.1 數(shù)控磨床的發(fā)展現(xiàn)狀磨削加工是利用磨料去除材料的加工方法。用磨料去除材料的加工是人類最早使用的生活技藝方法。遠(yuǎn)在石器時(shí)代，已開(kāi)始使用磨料研磨加工各種貝殼、石頭及獸骨等，用于生活和狩獵工具。青銅器出現(xiàn)以后，用磨料的加工技術(shù)得到了進(jìn)一步的發(fā)展，用來(lái)制造兵器及生產(chǎn)工具，用磨料研磨銅鏡已達(dá)到鏡面的要求。鐵器的出現(xiàn)，更使磨料加工成為一種普遍的工藝技巧得到應(yīng)用。18世紀(jì)中期出現(xiàn)第一臺(tái)外圓磨床，用石英石、石榴石等天然磨料敲鑿成磨具，進(jìn)而用天然磨料和粘土燒結(jié)成砂輪，隨后又研制成功平面磨床，應(yīng)用磨削技術(shù)逐漸形成。1901年以后，相繼發(fā)明人工熔煉的氧化鋁（剛玉）、碳化硅磨料。20世紀(jì)40年代末期，人造金剛石問(wèn)世。1957年研制成功立方氮化硼。超硬磨料人造金剛石砂輪與立方氮化硼砂輪的應(yīng)用及磨削技術(shù)的發(fā)展，使磨削加工精度及加工效率不斷提高，磨削加工應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大。解放前，我國(guó)磨床工業(yè)及磨料工業(yè)幾乎是一片空白。上海亞中機(jī)器廠（今上海第三機(jī)床廠）于1944年制造出我國(guó)第一臺(tái)外圓磨床。解放后，我國(guó)相繼建立了現(xiàn)代化的磨床、磨料、磨具制造廠及專業(yè)研究所，造就了一大批從事磨床設(shè)計(jì)生產(chǎn)、磨料磨具研究、制造的專業(yè)科學(xué)技術(shù)隊(duì)伍。1955年以前，試制并生產(chǎn)了黑、綠色碳化硅和白、棕色的剛玉，陸續(xù)開(kāi)發(fā)了各種磨具。1963年成功地合成出我國(guó)第一顆人造金剛石，1966年投入批量生產(chǎn)。接著，1967年成功研制立方氮化硼，1974年投入批量生產(chǎn)。20實(shí)際80年代高品位級(jí)的人造金剛石、優(yōu)質(zhì)立方氮化硼相繼問(wèn)世。與此同時(shí)，我國(guó)磨床工業(yè)經(jīng)歷了50年代初的測(cè)繪、仿制階段，50年代末期開(kāi)始自行設(shè)計(jì)。改革開(kāi)放推動(dòng)了磨床工業(yè)的巨大發(fā)展?，F(xiàn)在我國(guó)已能設(shè)計(jì)制造高精度、高效率、機(jī)電一體化的磨床，形成品種比較齊全的磨床產(chǎn)品，裝備了國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)的制造業(yè)，并出口60多個(gè)國(guó)家和地區(qū)。當(dāng)今高速高效磨削、超高速磨削在歐洲、美國(guó)和日本等一些發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展很快，如德國(guó)的aachen大學(xué)、bremm大學(xué)、美國(guó)的connecticut大學(xué)等，有的在實(shí)驗(yàn)室完成了vs為250m/s、 350m/s、400m/s的實(shí)驗(yàn)。據(jù)報(bào)道，德國(guó)aachen大學(xué)正在進(jìn)行目標(biāo)為500m/s的磨削實(shí)驗(yàn)研究。在實(shí)用磨削方面，日本已有磨床在工業(yè)中應(yīng)用。我國(guó)對(duì)高速磨削及磨具的研究已有多年的歷史，在70年代末期便進(jìn)行了80m/s 、120m/s的磨削工藝實(shí)驗(yàn)；前幾年，也計(jì)劃開(kāi)展250m/s的磨削實(shí)驗(yàn)（但至今尚未見(jiàn)到這方面的報(bào)道），所以說(shuō)有些高速磨削技術(shù)還只是實(shí)驗(yàn)而已，尚未走出實(shí)驗(yàn)室，技術(shù)還遠(yuǎn)沒(méi)有成熟，特別是超高速磨削的研究還開(kāi)展的很少。在實(shí)際應(yīng)用中，砂輪線速度一般還是4560m/s。隨著磨削技術(shù)的發(fā)展，磨床在加工機(jī)床中也占有相當(dāng)大的比例。據(jù)1997年歐洲機(jī)床展覽會(huì)的調(diào)查數(shù)據(jù)表明，25%的企業(yè)認(rèn)為磨削時(shí)他們應(yīng)用的最主要的加工技術(shù)。磨床在企業(yè)中占機(jī)床的比例高達(dá)42%，車床占23%，銑床占22%，鉆床占14%。我國(guó)19491998年，開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的通用磨床有1800多種，專用磨床有幾百種，磨床的擁有量占金屬切削機(jī)床總擁有量得13%左右?？梢?jiàn)，磨削技術(shù)及磨床在機(jī)械制造業(yè)中占有極其重要的位置。磨床的產(chǎn)品品種眾多。磨床的主要類型有外圓磨床、內(nèi)圓磨床、平面及端面磨床、坐標(biāo)磨床、工具磨床、刀具刃磨磨床、導(dǎo)軌磨床、專門(mén)化磨床（如曲軸磨床、凸輪軸磨床、軋輥磨床等）、砂帶磨床、珩磨機(jī)、研磨機(jī)、拋光機(jī)、超精加工機(jī)、超精研拋機(jī)各種軸承磨床及專用磨床。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，各類磨床向著cnc磨床及磨削加工中心發(fā)展。以砂輪為工具的磨削方式的磨床，有以下基本優(yōu)點(diǎn)：（1）主運(yùn)動(dòng)為砂輪主軸的旋轉(zhuǎn)。砂輪的線速度vs一般為3060m/s,cbn砂輪可高達(dá)150200m/s，最高主軸轉(zhuǎn)速達(dá)15000r/min。主軸單元是磨床的關(guān)鍵部件。對(duì)于高速高精度主軸單元系統(tǒng)應(yīng)具備剛性好、回轉(zhuǎn)精度高、溫升小、穩(wěn)定性好、功耗低、壽命長(zhǎng)、成本適中的特性。砂輪主軸單元的軸承常采用高精度滾動(dòng)軸承、液體靜壓軸承、液體動(dòng)壓軸承、動(dòng)靜壓軸承。近年來(lái)高速和超高速磨床越來(lái)越多采用電主軸單元部件。（2）為適應(yīng)精密及超精密磨削要求，采用低速無(wú)爬行的高精密高速進(jìn)給單元。進(jìn)給單元包括伺服驅(qū)動(dòng)部件、滾動(dòng)部件、位置監(jiān)測(cè)單元等。進(jìn)給單元是保持砂輪正常工作的必要條件，是評(píng)價(jià)磨床性能的重要指標(biāo)之一。要求進(jìn)給單元的運(yùn)轉(zhuǎn)靈活、分辨率高、定位精度高、剛性高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，既要有較大的加速度，又要有足夠大的驅(qū)動(dòng)力。進(jìn)給單元常用的方案為旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)與滾動(dòng)絲杠組合的進(jìn)給方案與直線伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)方案。（3）磨床具有高的靜剛度、動(dòng)剛度及熱剛度。砂輪架、頭架、尾架、工作臺(tái)、床身、立柱等是磨床的基礎(chǔ)構(gòu)件，其設(shè)計(jì)制造技術(shù)是保證磨床質(zhì)量的根本。（4）磨床需要有完善輔助單元。輔助單元包括工件快速裝夾、高效磨削液供給系統(tǒng)、安全防護(hù)裝置、主軸及砂輪動(dòng)平衡、切削處理、吸塵及吸霧清潔裝置。1.2 插齒刀在工業(yè)中的應(yīng)用及研究插齒刀作為加工高精度硬齒面齒輪的一種切齒方法，目前已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，如圖1-1所示，與傳統(tǒng)的磨齒、滾齒、剃齒、珩齒等硬齒面齒輪加工方法相比，在加工內(nèi)齒輪、雙聯(lián)齒輪及帶臺(tái)肩的齒輪等具有特殊結(jié)構(gòu)的齒輪方面，插齒刀幾乎是唯一可用的加工方法。插齒刀按外形分為盤(pán)形、碗形、筒形和錐柄4種。盤(pán)形插齒刀主要用于加工內(nèi)、外嚙合的直齒、斜齒和人字齒輪。碗形插齒刀主要加工帶臺(tái)肩的和多聯(lián)的內(nèi)、外嚙合的直齒輪，它與盤(pán)形插齒刀的區(qū)別在于工作時(shí)夾緊用的螺母可容納在插齒刀的刀體內(nèi)，因而不妨礙加工。筒形插齒刀用于加工內(nèi)齒輪和模數(shù)小的外齒輪，靠?jī)?nèi)孔的螺紋旋緊在插齒機(jī)的主軸上。錐柄插齒刀主要用于加工內(nèi)嚙合的直齒和斜齒齒輪。圖1-1 插齒刀插齒加工相當(dāng)于一對(duì)圓柱齒輪嚙合傳動(dòng)過(guò)程，其中一個(gè)是工件，另一個(gè)是端面磨有前角，齒頂及齒側(cè)均磨有后角的插齒刀。加工時(shí)刀具沿工件軸向作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)以完成主運(yùn)動(dòng)，如圖1-2所示。插齒加工時(shí)的運(yùn)動(dòng)主要有：（1）切削運(yùn)動(dòng)：插齒刀的上、下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。（2）分齒展成運(yùn)動(dòng)：插齒刀與工件之間應(yīng)保持正確的嚙合關(guān)系。插齒刀往復(fù)一次，工件相對(duì)刀具在分度圓上轉(zhuǎn)過(guò)的弧長(zhǎng)為加工時(shí)的圓周進(jìn)給量，故刀具與工件的嚙合過(guò)程也就是圓周進(jìn)給過(guò)程。（3）徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)：插齒時(shí)，為逐步切至全齒深，插齒刀應(yīng)有徑向進(jìn)給量f。圖1-2 插齒加工隨著cnc技術(shù)和插齒技術(shù)在生產(chǎn)中的大量應(yīng)用，特別是硬齒面齒輪的應(yīng)用，對(duì)插齒刀提出了更高的要求，在國(guó)內(nèi)外的研究中，主要從三方面對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，第一：改變插齒刀現(xiàn)有設(shè)計(jì)誤差的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，但由于目前我國(guó)設(shè)備落后，該新型插齒刀的工業(yè)實(shí)現(xiàn)較困難，對(duì)小批量生產(chǎn)更是不經(jīng)濟(jì)，因而目前難以推廣應(yīng)用；第二：改進(jìn)插齒刀切削部分的結(jié)構(gòu)形狀。主要是改變前刀面形狀即前刀面不再是單純的圓錐面而是特別的形狀。如雙圓錐形前刀面的插齒刀，特形曲線外形(凸或凹)前刀面的插齒刀，變前刀面和后刀面的插齒刀，成形前刀面的插齒刀等。這些插齒刀提高了主切削刃齒形的精度并增強(qiáng)了刀具的耐用度，是屬于有發(fā)展前途的新型插齒刀；第三：對(duì)現(xiàn)有插齒刀的某些齒形參數(shù)加以修正，以減少設(shè)計(jì)誤差并盡可能改善刀具的切削性能。近年來(lái)在生產(chǎn)實(shí)踐中獲得的這方面的成果多種多樣:有重新修正齒角的，有對(duì)齒形角進(jìn)行二次修正的，有把頂刃后角增為9并精化造形誤差的，還有一些綜合各種參數(shù)運(yùn)用優(yōu)化技術(shù)極小化造形誤差的。如此多的齒形修正方法，本質(zhì)上只是對(duì)影響齒形精度或刀具耐用度的壓力角、基圓半徑、后角、變位系數(shù)、齒厚等的修正，在綜合提高插齒刀的齒形精度和切削性能方面，還顯得不夠完善，因而在生產(chǎn)應(yīng)用中至今未能得到統(tǒng)一。 第2章 插齒刀數(shù)控磨床2.1 插齒刀數(shù)控磨床研究的意義插齒是靠切削運(yùn)動(dòng)和展成運(yùn)動(dòng)漸次形成齒面的，普通插齒刀的前刀面一般磨成內(nèi)凹的圓錐面，為了使刀刃重磨手刀刃形狀不變，一般將頂后刀面做成圓錐面，兩個(gè)側(cè)刃后刀面分別做成旋向相反的漸開(kāi)線螺旋面。普通插齒刀只能加工用于加工中硬度齒面，而對(duì)于經(jīng)過(guò)粗加工并經(jīng)過(guò)熱處理而獲得硬度在hrc45以上的硬齒面，特別是對(duì)于那些齒面淬火后的具有特殊結(jié)構(gòu)的插齒面，使用硬質(zhì)合金插齒刀則可以解決淬硬齒輪的精加工問(wèn)題。與其它加工方法相比，使用硬質(zhì)合金插齒刀加工硬齒面齒輪具有下列優(yōu)點(diǎn)：（1）對(duì)于直齒外齒輪、內(nèi)齒輪、雙聯(lián)（三聯(lián)）或帶臺(tái)肩的具有特殊結(jié)構(gòu)的硬齒面齒輪都能方便地進(jìn)行加工。（2）在加工一般精度的齒輪時(shí)，與傳統(tǒng)的磨齒工藝相比,其加工設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、效率高、成本低；與傳統(tǒng)的滾齒工藝相比,，其工藝過(guò)程簡(jiǎn)、單操作容易、加工成本較低。常用的硬質(zhì)合金插齒刀的頂后刀面和兩個(gè)側(cè)刃后刀面與普插齒刀相同主要不同是它的前刀面為外凸的正圓錐面, 使刀具的頂刃側(cè)刃形成徑向負(fù)前角。這樣做意在提高硬質(zhì)合金切削部分的抗沖擊性能提高頂刃側(cè)刃的抗崩刃能力延長(zhǎng)硬齒面插齒刀的使用壽命。但是不能把插齒刀負(fù)前角的絕對(duì)值取得很大。因?yàn)樵龃蟛妪X刀的前角后,將增大插齒刀的齒形誤差, 也就會(huì)增大被加工齒輪的齒形誤差, 難以加工出高精度的齒輪?，F(xiàn)有的錐形前刀面硬質(zhì)合金插齒刀, 由于在構(gòu)形理論與方法上基本與傳統(tǒng)插齒刀相同, 因此存在兩方面的不足：（1）徑向負(fù)前角的絕對(duì)值太小, 一般只能取到-5。不僅有礙于硬質(zhì)合金材料刀具固有性能的充分發(fā)揮, 還因微崩刃等原因而使刀具壽命縮短。（2）硬齒面插齒刀的構(gòu)形精度太低, 即使，=-5，由于前角的存在而引起的齒形誤差比aa級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的插齒刀所允許的誤差大得多, 不能保證加工出高精度的硬齒面。 圖2-1 硬質(zhì)面插齒刀針對(duì)上述問(wèn)題, 本文分析的硬質(zhì)合金插齒刀的前刀面采用凸曲面的形狀,即用凸曲的前刀面取代原有的圓錐形表面, 左、右側(cè)后刀面仍為漸開(kāi)螺旋面, 這樣插齒刀的左右側(cè)刃是由凸曲的前刀面與漸開(kāi)螺旋面的左右側(cè)后刀面相交形成的； 插齒刀的頂刃后刀面仍然采用的是圓錐面, 構(gòu)成的頂刃后角選用6, 這樣頂刃就是由凸曲的前刀面與頂刃后刀面（圓錐面）相交而形成。圖2-1為加工形成的刀具前刀面形狀，從圖中我們可以明顯看出凸曲前刀面插齒刀與錐基波面插齒刀在齒形方面的不同。硬質(zhì)合金插齒刀的左、右側(cè)后刀面為漸開(kāi)線螺旋面，頂后刀面是圓錐面，這兩個(gè)面容易加工。但是前刀面采用了凸曲面，它的加工是這種插齒刀制造的關(guān)鍵，對(duì)于硬質(zhì)合金插齒刀的前刀面，首先將其加工成錐形面，在此基礎(chǔ)上再加工出凸曲面，圖2-2為凸曲前刀面的加工。圖2-2 加工現(xiàn)場(chǎng)如圖2-2所示，小砂輪在電主軸的帶動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)，沿插齒刀的軸向方向來(lái)回運(yùn)動(dòng)，插齒刀自身繞著軸旋轉(zhuǎn)，但速度特別慢。就這樣，在砂輪軸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)和插齒刀軸的相互擬合下，加工出凸曲前刀面，凸曲面展開(kāi)后砂輪軌跡特征點(diǎn)擬合軌跡如圖2-3所示，凸曲前刀面插齒刀模型如圖2-4所示。圖2-3 凸曲面擬合圖圖2-4 凸曲前刀面插齒刀2.2 機(jī)床設(shè)計(jì)原則2.2.1 機(jī)床設(shè)計(jì)的基本要求和主要評(píng)定指標(biāo)（一）機(jī)床的加工工藝范圍機(jī)床的工藝范圍主要指機(jī)床的工藝可能性，即機(jī)床適應(yīng)不同生產(chǎn)要求實(shí)現(xiàn)過(guò)程的能力。在設(shè)計(jì)機(jī)床時(shí)，決定機(jī)床工藝范圍的主要依據(jù)是該機(jī)床的類型和用途，取決于加工對(duì)象、生產(chǎn)批量和生產(chǎn)要求等因素。不同類型的機(jī)床，設(shè)計(jì)時(shí)考慮其工藝范圍的側(cè)重點(diǎn)不同。通用機(jī)床主要考慮萬(wàn)能性和擴(kuò)大工藝范圍；專門(mén)化機(jī)床主要考慮對(duì)特定加工的適應(yīng)性；專用機(jī)床工藝范圍單一，主要考慮適應(yīng)大批大量生產(chǎn)要求，側(cè)重經(jīng)濟(jì)性；組合機(jī)床主要考慮多工序集中或分散程度和高效率；數(shù)控機(jī)床主要考慮實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)化加工，兼有高效率、高精度、高柔性的特點(diǎn)。工藝范圍主要從下列四方面分析：（1） 機(jī)床可完成的工序種類（加工工藝方法）；（2） 加工零件的類型和尺寸范圍；（3） 切削用量的可能范圍；（4） 能加工的工件材料和毛坯種類。我們所設(shè)計(jì)的機(jī)床屬于針對(duì)插齒刀的數(shù)控磨床，其功能主要是加工插齒刀凸曲前刀面，所以應(yīng)該屬于專用機(jī)床范圍。專用機(jī)床是專為加工某種零件的一個(gè)或幾個(gè)固定工序服務(wù)的，通常多用于加工成批、大批、大量生產(chǎn)。專用機(jī)床的特點(diǎn)：（1） 加工對(duì)象專一，加工工序特定，工藝范圍單一。（2） 自動(dòng)化程度和生產(chǎn)率較高。（3） 可根據(jù)特定的加工條件和工藝分析，直接確定機(jī)床的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)，主傳動(dòng)系統(tǒng)比通用機(jī)床簡(jiǎn)單得多。（4） 在選擇切削用量時(shí)，刀具壽命往往會(huì)成為限制因素，所以必須進(jìn)行刀具壽命核算。通常應(yīng)保證換刀間隔時(shí)間不低于8小時(shí)，或者不低于4小時(shí)，但此時(shí)應(yīng)作方案比較和成本計(jì)算，按經(jīng)濟(jì)分析結(jié)果做出選擇。（5） 在大批大量生產(chǎn)中，專用機(jī)床應(yīng)力求便于自動(dòng)上下料及納入自動(dòng)線。（二）數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)數(shù)控機(jī)床與非數(shù)控的普通機(jī)床在加工方法和完成工序內(nèi)容等工藝上有許多相似之處，不同點(diǎn)主要表現(xiàn)在控制方式上。數(shù)控加工要把在普通機(jī)床加工時(shí)由操作者考慮和決定的操作內(nèi)容，按規(guī)定的數(shù)碼形式編寫(xiě)程序并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上。加工時(shí)存儲(chǔ)器上的數(shù)碼信息輸入控制系統(tǒng)，機(jī)床按所編程序進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，自動(dòng)加工出要求的零件。因此，數(shù)控機(jī)床加工有兩個(gè)本質(zhì)上的特點(diǎn)：（1） 數(shù)控加工的關(guān)鍵在編程：本來(lái)由操作者在加工中靈活掌握并可通過(guò)適時(shí)調(diào)整來(lái)處理的許多工藝問(wèn)題，在數(shù)控加工時(shí)就變?yōu)榫幊淘O(shè)計(jì)和安排的內(nèi)容。數(shù)控機(jī)床自動(dòng)化程度雖高，但目前受自適應(yīng)調(diào)整技術(shù)水平的限制，要求工藝內(nèi)容相當(dāng)嚴(yán)密地體現(xiàn)在編程中。（2） 數(shù)控機(jī)床加工范圍適應(yīng)性：數(shù)控機(jī)床最適宜占機(jī)械加工總量70%80%的多品種小批量或中批量生產(chǎn)中比較復(fù)雜的零件。其優(yōu)點(diǎn)是：自動(dòng)化程度高，加工的零件一致性好、質(zhì)量穩(wěn)定，綜合生產(chǎn)率較高，節(jié)省復(fù)雜的工裝、便于產(chǎn)品研制，便于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助制造。與普通機(jī)床相比也存在著價(jià)格高，單件加工成本較高，維修難度較大等問(wèn)題。因此，國(guó)內(nèi)發(fā)展了一些自動(dòng)化程度較低的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床用于形狀較簡(jiǎn)單和精度要求較低的零件加工。（3） 機(jī)床的靜態(tài)精度（1） 幾何精度 幾何精度是指機(jī)床在未受外載荷、靜止或運(yùn)動(dòng)速度很低時(shí)的原始精度，它包括各主要零件部件間相互位置與相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的精度和主要零件的形位精度，如工作臺(tái)面的平行度、主軸的軸向竄動(dòng)和徑向圓跳動(dòng)、工作臺(tái)移動(dòng)的直線度等。幾何精度主要取決于機(jī)床零部件的加工和裝配質(zhì)量。（2） 運(yùn)動(dòng)精度 運(yùn)動(dòng)精度是指機(jī)床在以工作速度運(yùn)動(dòng)時(shí)主要工作部件的幾何位置精度，包括 主軸的回轉(zhuǎn)精度、直線移動(dòng)部件的位移精度及低速運(yùn)動(dòng)時(shí)速度的不均勻性等。（3） 傳動(dòng)精度 傳動(dòng)精度是指機(jī)床內(nèi)聯(lián)系傳動(dòng)鏈兩端件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性。對(duì)于兩端件為“回轉(zhuǎn)-回轉(zhuǎn)”式傳動(dòng)鏈，需要規(guī)定傳動(dòng)角位移誤差；對(duì)于兩端件為“回轉(zhuǎn)-直線”式傳動(dòng)鏈，需要規(guī)定傳動(dòng)線位移誤差。傳動(dòng)精度主要取決于傳動(dòng)鏈各元件特別是末端件的加工和裝配精度以及傳動(dòng)鏈設(shè)計(jì)的合理性。（4） 位置精度 位置精度是指機(jī)床有關(guān)部件在所有坐標(biāo)中定位的準(zhǔn)確性，實(shí)際位置與要求目標(biāo)位置的偏差稱為位置誤差。位置精度的評(píng)定項(xiàng)目包括定位精度。數(shù)控機(jī)床的位置精度決定了工件的加工精度。（5）精度保持性 機(jī)床精度保持性是指機(jī)床在生命周期內(nèi)保持其原始精度為合格精度的能力。該項(xiàng)指標(biāo)由機(jī)床某些關(guān)鍵零件的首次大修期決定。為了提高這些零件的耐磨性，必須注意選材、熱處理、潤(rùn)滑與防護(hù)等。對(duì)于高精度機(jī)床，精度保持性是一項(xiàng)重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。機(jī)床的壽命就是保持其應(yīng)具有加工精度的時(shí)間。 2.2.2 機(jī)床的方案設(shè)計(jì) 機(jī)床的方案設(shè)計(jì)是機(jī)床總體設(shè)計(jì)中的重要部分，主要包括以下內(nèi)容：（1）機(jī)床工藝方案的設(shè)計(jì)，即要決定機(jī)床的加工工藝方法、工件在機(jī)床上的加工工藝過(guò)程，確定合理的切削用量，研究工件在機(jī)床上的裝夾方法等。（2）機(jī)床的運(yùn)動(dòng)和傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)，研究機(jī)床表面成形運(yùn)動(dòng)的分配方案，決定機(jī)床的總體布局結(jié)構(gòu)及各部件結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系方式，在此基礎(chǔ)上決定機(jī)床的傳動(dòng)形式。（3）決定機(jī)床的承載結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)機(jī)床的總體部件。（4）設(shè)計(jì)機(jī)床的操作與控制方案等。機(jī)床的方案必須滿足用戶提出的各種要求，如機(jī)床的加工范圍、工件加工精度、生產(chǎn)率和經(jīng)濟(jì)性等；必須確保既定工藝方案所要求的工件和刀具之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在經(jīng)濟(jì)合理的條件下，盡量簡(jiǎn)化傳動(dòng)系統(tǒng)，以提高效率和傳動(dòng)精度最大限度地提高機(jī)床系列化和部件通用化的程度，確保機(jī)床具有與所要求的加工精度相適應(yīng)的剛度、抗振性、熱變形和噪聲水平，必須考慮利用新技術(shù)。2.3 導(dǎo)軌設(shè)計(jì) 導(dǎo)軌的功能是承受載荷和導(dǎo)向。它承受安裝在導(dǎo)軌上的運(yùn)動(dòng)部件及工件的質(zhì)量和切削力，運(yùn)動(dòng)部件可以沿導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)軌稱為動(dòng)導(dǎo)軌，不動(dòng)的導(dǎo)軌稱為靜導(dǎo)軌或支撐導(dǎo)軌。動(dòng)導(dǎo)軌相對(duì)于靜止導(dǎo)軌可以做直線運(yùn)動(dòng)或回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)軌按結(jié)構(gòu)形式可以分為開(kāi)式導(dǎo)軌和閉式導(dǎo)軌。開(kāi)始導(dǎo)軌是指在部件自重和載荷的作用下，運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌和支撐導(dǎo)軌的工作面始終保持接觸、貼合。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但不能承受較大的顛覆力矩。閉式導(dǎo)軌借助于壓板使導(dǎo)軌能承受較大的顛覆力矩作用。如車床床身和床鞍導(dǎo)軌。當(dāng)顛覆力矩m作用在導(dǎo)軌上時(shí)，僅靠自重已不能使主導(dǎo)軌面始終接觸，需要壓板形成輔助導(dǎo)軌面，保證支撐導(dǎo)軌與動(dòng)導(dǎo)軌的工作面始終保持可靠的接觸。導(dǎo)軌的常用材料有鑄鐵、鋼、有色金屬、塑料等，隨著高效自動(dòng)化、數(shù)控技術(shù)、高精度精密機(jī)床的發(fā)展，促使機(jī)床導(dǎo)軌材料的構(gòu)成比發(fā)生了顯著的變化?？傏厔?shì)可概括為：與采用鑄鐵合金化導(dǎo)軌相比，采用表面熱處理強(qiáng)化的導(dǎo)軌有增多的趨勢(shì)，其中鑲鋼導(dǎo)軌的增加尤為明顯；與滑動(dòng)導(dǎo)軌相比，滾動(dòng)導(dǎo)軌所占比例增加，與金屬導(dǎo)軌相比，塑料導(dǎo)軌的增加特別明顯。(1)鑄鐵導(dǎo)軌有良好的抗振性、工藝性和耐磨性，因此應(yīng)用最廣泛。灰鑄鐵、孕育鑄鐵常進(jìn)行表面淬火來(lái)提高硬度，如高頻淬火、電接觸淬火硬度為5055hrc，耐磨性提高12倍，常用在車床、銑床、磨床上。為提高導(dǎo)軌的力學(xué)性能和耐磨性，在鑄鐵中加入不同合金元素，生成高磷鑄鐵、磷銅鈦鑄鐵、釩鈦鑄鐵等，他們具有良好的力學(xué)性能和耐磨性，多用在精密機(jī)床，如坐標(biāo)鏜床和螺紋磨床上。(2)鑲鋼導(dǎo)軌為提高導(dǎo)軌的耐磨性，采用淬火鋼和氮化鋼的鑲鋼支承導(dǎo)軌，抗磨損能力比灰鑄鐵導(dǎo)軌提高510倍。(3)塑料導(dǎo)軌具有摩擦因素低、耐磨性高、抗撕傷能力強(qiáng)、低速不易爬行、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、工藝簡(jiǎn)單、化學(xué)性能好、成本低等特點(diǎn)。在各類機(jī)床都有應(yīng)用，特別是在精密、數(shù)控、大型、重型機(jī)床的動(dòng)導(dǎo)軌上。按導(dǎo)向軌跡，滑動(dòng)導(dǎo)軌可分為直線滑動(dòng)導(dǎo)軌和圓周運(yùn)動(dòng)滑動(dòng)導(dǎo)軌。直線導(dǎo)軌的截面形狀（如圖2-5）：直線導(dǎo)軌的基本截面形狀有三角形、矩形、燕尾形及圓形截面四種。他們的導(dǎo)向和支承作用，主要通過(guò)m 、n、 j3個(gè)平面和1個(gè)頂角來(lái)實(shí)現(xiàn)。 三角形導(dǎo)軌 矩形導(dǎo)軌 圓形導(dǎo)軌 燕尾槽形導(dǎo)軌圖2-5 導(dǎo)軌截面圖機(jī)床直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌通常由兩條導(dǎo)軌組合合成，根據(jù)不同要求，機(jī)床導(dǎo)軌主要有如下形式的組合：（1） 雙三角形導(dǎo)軌（圖2-6）圖2-6（2）雙矩形導(dǎo)軌（圖2-7）圖2-7（3） 三角形平導(dǎo)軌組合（圖2-8）圖2-8（4） 三角形矩形組合（圖2-9）圖2-9（5） 平平三角形組合（圖2-10）圖2-10根據(jù)插齒刀數(shù)控磨床的需要，我們選擇了三角形矩形組合，材料為鑄鐵淬火導(dǎo)軌。其長(zhǎng)度為1591mm。其形狀如圖2-11，承受載荷的面為左端的三角形導(dǎo)軌和右邊的矩形導(dǎo)軌，導(dǎo)軌主體鑄造而成。圖2-11 機(jī)床導(dǎo)軌導(dǎo)軌與主機(jī)床支撐之間用8個(gè)16的螺釘固定在一起，導(dǎo)軌左側(cè)去掉長(zhǎng)度為300mm長(zhǎng)的三角形導(dǎo)軌面，用來(lái)固定安裝減速器及主軸,導(dǎo)軌前面可以用螺釘固定絲杠電機(jī)和絲杠。導(dǎo)軌面采用刮磨獲得，表面粗糙度達(dá)到0.4m，導(dǎo)軌直線度為0.01/1000mm。2.4砂輪軸的設(shè)計(jì)在磨削加工中，砂輪為磨削的主運(yùn)動(dòng)，砂輪軸的高速旋轉(zhuǎn)將消耗很大的功率，而且砂輪軸的穩(wěn)定性及其加工特性，將會(huì)決定其加工零件的精度及表面質(zhì)量。因此，在數(shù)控磨床的砂輪軸選擇中，我們選擇了電主軸，電主軸作為高速切削里面的重要部件，由于其優(yōu)良的性能已被廣泛應(yīng)用在機(jī)械加工中，選擇的電主軸功率為45kw，其轉(zhuǎn)速為800012000 r/min。砂輪是磨削中的刀具，對(duì)砂輪的選擇也非常重要。決定砂輪磨削特性的主要有磨料的種類、磨料的粒度、磨具的硬度、結(jié)合劑、磨具的組織和磨具的形狀和尺寸。針對(duì)于硬質(zhì)合金插齒刀的凸曲前刀面的加工，我們選擇了非標(biāo)準(zhǔn)形狀的人造金剛石磨料，其粒度為180，濃度為10%，砂輪規(guī)格為21.58mm10.5mm7.5mm。砂輪軸如圖2-12所示。圖2-12 砂輪軸砂輪軸的夾緊方式如圖2-13，砂輪主軸有一段是圓錐形的，砂輪的內(nèi)孔也是圓錐的，這樣設(shè)計(jì)是為了安裝時(shí)固定砂輪的左端面，砂輪的右端面靠彈簧墊圈和雙螺母固定，彈簧套裝在帶有外螺紋的套筒中，鎖緊螺母固定砂輪主軸于彈簧套中。鎖緊螺母和彈簧套、套筒的共同作用下，固定砂輪軸的左端面。圖2-13 砂輪軸的結(jié)構(gòu)圖2.5支撐件的設(shè)計(jì)2.5.1 支撐件的功能機(jī)床的支撐件是指床身、立柱、橫梁、底座等大件，相互固定連接成機(jī)床的基礎(chǔ)和框架。機(jī)床上其它零部件可以固定在支撐上，或者工作時(shí)在支撐件的導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)。因此，支撐件的主要功能是保證機(jī)床的各零部件之間的相互位置和相對(duì)運(yùn)動(dòng)精度，并保證機(jī)床有足夠的靜剛度、抗振性、熱穩(wěn)定性和耐用度。所以，支撐件的合理設(shè)計(jì)是機(jī)床設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。支撐件應(yīng)滿足的基本要求：（1） 應(yīng)具有足夠的剛度和較高的剛度-質(zhì)量比；（2） 應(yīng)具有較好的動(dòng)態(tài)特性，包括較大的位移阻抗和阻尼，整機(jī)的低階頻率較高，各階頻率不致引起結(jié)構(gòu)共振，不會(huì)因薄壁振動(dòng)而產(chǎn)生噪聲；（3） 熱穩(wěn)定性好，熱變形對(duì)機(jī)床加工精度的影響較??；（4） 排屑通暢、吊運(yùn)安全，并具有良好的結(jié)構(gòu)工藝性。2.5.2 支撐件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)支撐件是機(jī)床的一部分，因此設(shè)計(jì)支撐件時(shí)，應(yīng)首先考慮所屬機(jī)床的類型、布局及常用支撐件的形狀。在滿足機(jī)床中作性能的前提下，綜合考慮其工藝性。還要根據(jù)其使用要求，進(jìn)行受力和變形分析，在根據(jù)受的力和其它要求（如排屑、吊運(yùn)、安裝其它零件等）進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，初步?jīng)Q定其形狀和尺寸。然后，可以利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行有限元計(jì)算，求出其靜態(tài)剛度和動(dòng)態(tài)特性，再對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改和完善，選出最佳結(jié)構(gòu)形式，既能保證支撐件具有良好的性能，又能盡量減輕重量，節(jié)約金屬。根據(jù)實(shí)際的需要，我們選擇了用灰鑄鐵來(lái)鑄造底座，鑄鐵鑄造性能好，容易獲得復(fù)雜結(jié)構(gòu)的支撐件，同時(shí)鑄鐵的內(nèi)摩擦力大，阻尼系數(shù)大，使振動(dòng)衰減的性能好，成本低。底座的形狀如圖2-14所示。圖2-14 機(jī)床底座2.6 進(jìn)給傳動(dòng)系設(shè)計(jì)進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)一般由動(dòng)力源、變速機(jī)構(gòu)、換向機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)分配機(jī)構(gòu)、過(guò)載保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)和執(zhí)行件等組成。進(jìn)給傳動(dòng)可以采用單獨(dú)電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，便于縮短傳動(dòng)鏈，實(shí)現(xiàn)幾個(gè)方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和機(jī)床自動(dòng)化，也可以與主傳動(dòng)共用一個(gè)動(dòng)力源，便于保證主傳動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)之間的嚴(yán)格傳動(dòng)關(guān)系，適用于有內(nèi)聯(lián)傳動(dòng)鏈的機(jī)床。進(jìn)給傳動(dòng)系設(shè)計(jì)應(yīng)滿足如下的基本的要求：（1） 應(yīng)具有足夠的靜剛度和動(dòng)剛度；（2） 具有良好的快速響應(yīng)性，做低速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)或微量進(jìn)給時(shí)不爬行，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，靈敏度高；（3） 抗振性好，不會(huì)因摩擦自振而引起傳動(dòng)件的抖動(dòng)或齒輪傳動(dòng)的沖擊噪聲；（4） 具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍，保證實(shí)現(xiàn)所要求的進(jìn)給量，以適應(yīng)不同的加工材料，使用不同刀具，滿足不同的零件加工要求，能傳動(dòng)較大的轉(zhuǎn)矩；（5） 進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和定位精度要高；（6） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工和裝配工藝性好。調(diào)整維修方便，操縱輕便靈活。在數(shù)控磨床所采用的進(jìn)給系統(tǒng)中，我們采用以下方式：z方向的進(jìn)給有單獨(dú)的伺服電機(jī)，電機(jī)與絲杠通過(guò)聯(lián)軸器連接在一起，絲杠的左右兩端固定在z軸導(dǎo)軌上，絲杠與溜板箱之間通過(guò)滾珠絲杠螺母連接，如圖2-15所示。圖2-15 進(jìn)給系統(tǒng)2.7 小結(jié)機(jī)床的主軸采用電機(jī)與變速箱相結(jié)合的方式，帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，整個(gè)系統(tǒng)采用了數(shù)控系統(tǒng)，機(jī)床主軸采用knd-1000t數(shù)控系統(tǒng),具有主軸伺服控制功能。機(jī)床防護(hù)采用半防護(hù)，導(dǎo)軌采用另外的防護(hù)。機(jī)床的整體設(shè)計(jì)圖如圖2-16所示。圖2-16 插齒刀數(shù)控磨床第3章 插齒刀數(shù)控磨床的模態(tài)分析3.1 數(shù)控磨床的建模本章主要介紹了插齒刀數(shù)控磨床的模態(tài)分析，利用catia建模，然后導(dǎo)入ansys當(dāng)中，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分及材料屬性的定義，邊界和接觸的處理，然后進(jìn)行模態(tài)分析，求得其固有頻率和前六階振型。插齒刀數(shù)控磨床，是一種針對(duì)插齒刀錐基波形前刀面進(jìn)行加工的專用設(shè)備，因?yàn)榍暗睹驽F基波形的精度直接影響到插齒刀的使用壽命及其加工齒輪時(shí)的精度，所以，機(jī)床的自身的精度特別重要。振動(dòng)現(xiàn)象是機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)經(jīng)常遇到的問(wèn)題。幾乎所有的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)都不希望有振動(dòng)發(fā)生, 振動(dòng)會(huì)造成結(jié)構(gòu)疲勞和破壞。然而, 結(jié)構(gòu)本身具有某種程度的剛性, 故其固有振動(dòng)頻率及模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須理解的特性之一, 進(jìn)而避免激振頻率和結(jié)構(gòu)固有頻率相同, 以防止共振現(xiàn)象，模態(tài)分析用于確定設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)或部件的振動(dòng)特性(固有頻率和振型), 同時(shí)也是其它更詳細(xì)的動(dòng)力學(xué)分析的起點(diǎn), 例如瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、諧振響應(yīng)分析、譜分析,故模態(tài)分析的方法及流程是非常重要的。固有頻率作為一項(xiàng)重要的指標(biāo)，在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)中已被越來(lái)越多的應(yīng)用到，下面就針對(duì)插齒刀數(shù)控磨床進(jìn)行模態(tài)分析。3.1.1對(duì)數(shù)控磨床進(jìn)行建模利用catia軟件，對(duì)數(shù)控磨床進(jìn)行建模，在保證不影響計(jì)算結(jié)果的情況下，為減少運(yùn)算時(shí)間和運(yùn)算的復(fù)雜性，在建模過(guò)程中略去了某些次要的環(huán)節(jié)（如圓角，凸緣，銷孔），由于機(jī)床的外罩對(duì)其影響不是很大，所以，我們省略了所有外罩，圖3-1 機(jī)床圖只保留了主體部分。數(shù)控機(jī)床的主體部分包括底座、導(dǎo)軌、減速箱、主軸、電機(jī)、滑塊等（圖3-1）。機(jī)床各個(gè)部件之間并不是固接在一起的, 而是通過(guò)某種方式連接在一起, 如床身與立底座之間通過(guò)螺栓連接; 床身與工作臺(tái)、導(dǎo)軌與滑動(dòng)箱、滑動(dòng)箱與主軸箱之間均采用導(dǎo)軌連接。機(jī)床中各個(gè)結(jié)合面的接觸剛度對(duì)整機(jī)的影響很大, 因此有限元模型中結(jié)合面接觸剛度的處理直接影響最后的計(jì)算結(jié)果。3.2 模態(tài)分析在進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析的實(shí)際運(yùn)用中,通常采取的方法是將連續(xù)系統(tǒng)離散化為只有有限個(gè)自由度的系統(tǒng),由此求出連續(xù)系統(tǒng)的近似解。這些離散化的方法中有集中質(zhì)量法、假設(shè)模態(tài)法、模態(tài)綜合法和有限元法。集中質(zhì)量法雖然做法簡(jiǎn)單,但如何選取各個(gè)集中點(diǎn)以及如何配置各點(diǎn)的質(zhì)量,才能使所得結(jié)果比較接近于實(shí)際情況,這都需要經(jīng)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)的啟示,缺乏一般的理論指導(dǎo)。假設(shè)模態(tài)法和模態(tài)綜合法的精度在很大程度上取決于所選擇的結(jié)構(gòu)或子結(jié)構(gòu)的假設(shè)模態(tài),對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu),這種假設(shè)模態(tài)難以找到,并且對(duì)于不同的結(jié)構(gòu)沒(méi)有通用性。而有限元法則是對(duì)每個(gè)單元取假設(shè)模態(tài),由于單元的數(shù)目通常比較大,假設(shè)模態(tài)就可以取得非常簡(jiǎn)單;而且它以節(jié)點(diǎn)位移作為系統(tǒng)的廣義坐標(biāo),可以降低系統(tǒng)微分方程的耦合程度,給用計(jì)算機(jī)求解帶來(lái)方便,所以有限元法已成為分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有效方法和手段。本文就是采用有限元法,在商品化軟件ansys平臺(tái)上對(duì)插齒刀數(shù)控磨床進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性分析。由于機(jī)體結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜, 所以不可能用解析法求得其振動(dòng)模態(tài)而只好借助于有限元方法。其求解的基本原理如下所述。有限元模型的自由振動(dòng)方程可寫(xiě)為 m x+ kx=0 (1) 式中:m為機(jī)體有限元模型的總體質(zhì)量矩陣, 為一正定矩陣；k為機(jī)體有限元模型的總體剛度矩陣, 此處由于所有剛體自由度全被約束掉, 因此為一正定矩陣; 為機(jī)體振動(dòng)的位移向量。于是插齒刀數(shù)控磨床的自由振動(dòng)的各階固有頻率 ( i= 1, 2, 3, n。n 為機(jī)體有限元模型的自由度數(shù)) 可由以下特征方程求得: k-m=0 (2)式中: 為機(jī)體自由振動(dòng)的固有頻率。當(dāng)固有頻率i為特征方程式(2)的重根時(shí),把其代入如下方程, (k-m)= 0 (3)可解得其對(duì)應(yīng)的各振型。當(dāng)x是方程(2)的單根時(shí), 將其代入特征矩陣 b = k- m (4)中, 求出該特征矩陣的伴隨矩陣 b =adj (k- m) (5)則該伴隨矩陣的任一非零列向量即為固有頻率所對(duì)應(yīng)的振型。3.2.1 導(dǎo)入模型，接觸對(duì)的檢查，網(wǎng)格劃分導(dǎo)入模型之后，要對(duì)接觸對(duì)進(jìn)行檢驗(yàn)，接觸對(duì)也直接影響到計(jì)算的準(zhǔn)確性，所以要對(duì)接觸對(duì)進(jìn)行檢查。網(wǎng)格劃分對(duì)有限元分析非常重要，細(xì)密的網(wǎng)格劃分可以使結(jié)果更精確，但會(huì)增加cpu的計(jì)算時(shí)間，需要更大的存儲(chǔ)空間。修改接觸對(duì)，著重在于修改那些本來(lái)應(yīng)該有滑移，但自動(dòng)生成為連接的，如果不修改會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，對(duì)機(jī)床進(jìn)行網(wǎng)格劃分后得到的數(shù)據(jù)為，有238984個(gè)節(jié)點(diǎn)，119311個(gè)單元（圖3-2）。 圖3-2 經(jīng)過(guò)網(wǎng)格劃分之后的機(jī)床 3.2.2 對(duì)模型進(jìn)行邊界的約束影響幾何體固有頻率的條件主要有四類，彈性模量和泊松比，材料密度，幾何體的形狀以及幾何體的外界約束條件，在ansys中導(dǎo)入幾何體后，首先就要對(duì)幾何體的材料屬性進(jìn)行定義，在此分析中，底座、導(dǎo)軌、滑塊、減速箱采用灰鑄鐵，灰鑄鐵的彈性模量為1.0e，泊松比為0.28，密度為7200m，其他的部分主要采用系統(tǒng)默認(rèn)的結(jié)構(gòu)鋼，結(jié)構(gòu)鋼的彈性模量為2.0e，泊松比為0.3，密度為7850m.對(duì)于機(jī)床而言，其底面的墊鐵與地面相接觸，所以在約束過(guò)程中，指定底面為固定面，主軸電機(jī)的端面也設(shè)置為固定。 3.2.3 求解結(jié)果對(duì)機(jī)床進(jìn)行模態(tài)分析之后得到六階振型，振型的大小只是一個(gè)相對(duì)的量值（位移相對(duì)值），它表征的是各點(diǎn)在某一階固有頻率上振動(dòng)量值的相對(duì)比值，反映該固有頻率上振動(dòng)的傳遞情況，并不反映實(shí)際振動(dòng)的數(shù)值，模態(tài)分析計(jì)算結(jié)果如表：表3-1 床身結(jié)構(gòu)的前6階固有頻率和振型階次固有頻率振型1118.69砂輪軸出現(xiàn)較大的變形，整體前后振動(dòng)2180.34主軸及減速箱出現(xiàn)較大振動(dòng)3195.72整體出現(xiàn)左右振動(dòng)，主軸變化明顯4209.28滑板和導(dǎo)軌出現(xiàn)較大震動(dòng)，絲杠振動(dòng)明顯5256.66底座局部振動(dòng)6261.03主軸出現(xiàn)較大的振動(dòng)從計(jì)算結(jié)果和振型圖來(lái)看, 插齒刀數(shù)控磨床前6 階固有頻率的振動(dòng)主要發(fā)生在砂輪軸和以主軸、導(dǎo)軌為一體的這幾個(gè)大件上, 特別是在第六階振型中，主軸出現(xiàn)了大幅度的振動(dòng)，底座的振動(dòng)相對(duì)較小，比較平穩(wěn)。所以，主軸、砂輪軸、導(dǎo)軌是機(jī)床的薄弱環(huán)節(jié)，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，及外界所給的激勵(lì)不合適，機(jī)床將會(huì)出現(xiàn)大的振動(dòng)，將嚴(yán)重影響機(jī)床的加工精度。絲杠的振動(dòng)同時(shí)也不可忽略，絲杠是保證傳動(dòng)精度的主要部件，在第四階振型中，絲杠出現(xiàn)了大的振動(dòng)。了解了這些之后，我們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò)程中就要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)置，以達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)中的要求。下圖為機(jī)床六階模態(tài)振型圖：圖3-3 機(jī)床第一階模態(tài)振型圖圖3-4 機(jī)床第二階模態(tài)振型圖圖3-5 機(jī)床第三階模態(tài)振型圖圖3-6 機(jī)床第四階模態(tài)振型圖圖3-7 機(jī)床第五階模態(tài)振型圖圖3-8 機(jī)床第六階模態(tài)振型圖3.2.4 小結(jié)本文利用通用有限元分析方法對(duì)插齒刀數(shù)控磨床模態(tài)進(jìn)行分析, 分析了數(shù)控磨床的模態(tài)特性以及相應(yīng)的振型, 為研究插齒刀數(shù)控磨床的振動(dòng)提供了基礎(chǔ), 為了解加工中心結(jié)構(gòu)本身具有的頻率和振型特性提供了參考，將避免在使用中因共振因素造成不必要的影響。第4章 砂輪軸受力分析 砂輪軸是磨削中的關(guān)鍵部件，其受力和變形將會(huì)影響到加工工件的精度和質(zhì)量。本章從磨削力角度出發(fā)，利用經(jīng)驗(yàn)公式求解磨削力的大小，推導(dǎo)出功率的大小，并利用有限元分析方法求解砂輪軸在外力作用下的變形。 隨著制造業(yè)不斷的發(fā)展，以及計(jì)算機(jī)不斷的普及，數(shù)控機(jī)床越來(lái)越多的應(yīng)用到制造業(yè)中，伴隨著高精度，高速度，高質(zhì)量 ，智能化數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用，產(chǎn)品的質(zhì)量與精度也越來(lái)越高。先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)及設(shè)計(jì)方法應(yīng)運(yùn)而生。插齒刀數(shù)控磨床，主要針對(duì)具有凸曲前刀面的插齒刀而設(shè)計(jì)，精度要求非常高。砂輪由電主軸帶動(dòng)，轉(zhuǎn)速達(dá)到800012000r/min，所以其精度成為影響插齒刀凸曲前刀面精度的主要因素，對(duì)其受力及變形的分析就顯得非常重要。4.1砂輪軸的受力分析及功率計(jì)算砂輪軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是插齒刀數(shù)控磨床的主運(yùn)動(dòng)，依靠砂輪的高速旋轉(zhuǎn)，切除插齒刀上多余的材料，求解砂輪軸的功率是為了在選用電機(jī)時(shí)作為參考。砂輪軸的軸心比較的細(xì)，其直徑尺寸只有10mm，因此，必須對(duì)砂輪軸做出力學(xué)的分析，以防止其再加工過(guò)程中出現(xiàn)較大的變形，影響表面的加工質(zhì)量。4.1.1 磨削類型的劃分磨削的類型主要有，外圓磨削、周邊平面磨削、端面磨削。其運(yùn)動(dòng)形式如圖4-1：圖4-1 磨削類型根據(jù)插齒刀數(shù)控磨床的工作性質(zhì)，利用小砂輪來(lái)加工插齒刀凸曲前刀面，我們現(xiàn)在假設(shè)其為外圓磨削，采用第一種方式。圖4-2為砂輪對(duì)工件進(jìn)行加工，我們假設(shè)插齒刀前刀面需要加工的面的寬度為工件的寬度，工件的直徑為105mm，工件線外徑的速度25mm/min。 圖4-2 砂輪加工圖4.1.2 磨削力的計(jì)算磨削時(shí)作用于工件和砂輪之間的力稱為磨削力，在一般的情況下，磨削力可以分解成為三個(gè)分力，即ft切向磨削力（砂輪旋轉(zhuǎn)的切線方向）fn法向磨削力（砂輪和工件接觸面的法線方向）fz軸向磨削力（縱向進(jìn)給方向）切向磨削力ft是確定磨床電動(dòng)機(jī)功率的主要參數(shù)，為主磨削力；法向力fn作用于砂輪的切入方向，壓向工件，引起砂輪軸和工件的變形，加速砂輪鈍化，直接影響工件精度和加工便面質(zhì)量；軸向磨削力fz作用于機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)，但與ft和fn數(shù)值相比很小，可以不用考慮。在磨削中，fn大于ft ，fn/ft其比值約等于1.54，這是磨削的一個(gè)顯著特點(diǎn)。fn與ft的比值隨著工件材料，磨削方式的不同而不同。由于磨削過(guò)程很復(fù)雜，影響磨削力大小的因素也很多，而且目前對(duì)磨削機(jī)理研究還在繼續(xù)深入。因此，理論計(jì)算的公式準(zhǔn)確度不是很高，在生產(chǎn)中常用測(cè)力儀或測(cè)力裝置由實(shí)驗(yàn)方法得到，在這里，我們主要利用經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)磨削力作出大概的計(jì)算。在實(shí)際的工程應(yīng)用中，當(dāng)前仍以采用經(jīng)驗(yàn)公式為主，多年來(lái)，各國(guó)學(xué)者都做出了許多研究，發(fā)表了大量的數(shù)據(jù)，并且討論了各種磨削條件對(duì)磨削力的影響，提出了各種各樣的磨削力實(shí)驗(yàn)公式，這些公式幾乎都是以磨削條件的冪指數(shù)函數(shù)形式表示的，形式如下： 式中 表示單位磨削力 磨削加工寬度、表示指數(shù)式中的指數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)值可參見(jiàn)下表：表4-1 磨削力實(shí)驗(yàn)指數(shù)研究者備注前聯(lián)邦德國(guó)esacje0.450.450.450.450.40.40.40.40.430.430.430.43前蘇聯(lián)enmarslon0.60.70.7美norton公司0.50.50.50.5日渡邊0.880.760.760.62日竹中0.84淬火鋼0.871.030.48硬鋼0.840.780.45軟鋼0.870.61鑄鐵0.870.60黃銅從上表可以看出，由于研究者使用的儀器水平和試驗(yàn)材料不同，磨削力的公式不統(tǒng)一，按不同公式的冪指數(shù)計(jì)算出的結(jié)果差別可能很大。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)公式中，研究者常常不會(huì)給出常數(shù)值fp。故導(dǎo)致生產(chǎn)中應(yīng)用這些值比較困難。在我們的計(jì)算中，我們主要采用了兩種公式，一個(gè)是由北京工業(yè)大學(xué)于1992年提出的磨削力的實(shí)驗(yàn)公式，另一種是由機(jī)械工業(yè)出版社出版的磨工技師手冊(cè)中的公式。首先我們根據(jù)北京工業(yè)大學(xué)的實(shí)驗(yàn)公式來(lái)求解磨削力。1. 公式一 由北京工業(yè)大學(xué)獲得的外圓磨削力的實(shí)驗(yàn)公式為 它的實(shí)驗(yàn)條件是：mq1350外圓磨床，砂輪a60gv，45鋼正火190229hbs乳化液冷卻。工件縱向進(jìn)給量（mm/r）砂輪的直徑為=20mm,工件的轉(zhuǎn)速為0.0758r/min,砂輪軸的轉(zhuǎn)速分別為4500r/min,7000r/min,工件的移動(dòng)速度為25mm/min,切削深度分別為0.05、0.1mm、0.15mm。所以總共有3組數(shù)據(jù)。其中取工件的分度圓直徑為工件的加工直徑，即=105mm,砂輪的寬度b=10.5mm,=10.5mm/r（1）當(dāng)=0.05mm時(shí)， ft=9.923n fn=19.846n （2）當(dāng)=0.1mm時(shí)， ft=14.84n fn=29.39n（3）當(dāng)=0.15mm時(shí)， ft=21.38n fn=42.76n2. 公式二 采用磨工技師手冊(cè)里的公式 砂輪徑向進(jìn)給量(mm)；工件圓周進(jìn)給速度（m/min）;工件縱向進(jìn)給量（mm/r）根據(jù)磨削力實(shí)驗(yàn)式的指數(shù)值表，工件材料為45鋼，外圓磨削fn/ft=2.04,查得=119.09,=0.417,=0.714,=0.751。磨削功率pm計(jì)算是磨床動(dòng)力參數(shù)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。由于砂輪的速度很高，功率消耗很大。主運(yùn)動(dòng)所消耗的功率（kw）為 式中 切向磨削力（n） 砂輪轉(zhuǎn)速（m/s） 砂輪電動(dòng)機(jī)功率由下式計(jì)算 式中 機(jī)械傳動(dòng)總效率，一般取0.70.85，這次計(jì)算中取=0.8。（1）當(dāng)=0.05mm,砂輪軸轉(zhuǎn)速=4500n