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1、毕业设计（论文）开题报告 机械工程学院 系（院） 20 12 届题 目 加工中心主轴的结构分析与静力分析 课题类型 设 计 课题来源 自拟课题 学生姓名 张 海 超 学 号 200801030049 专 业 材料成型及控制工程 年级班 08级1班 指导教师 何强 职 称 讲师 填写日期：2012 年 02月28日一、本课题研究的主要内容、目的和意义主要内容：运用ANSYS软件，对加工中心主轴的结构和静态特性进行了深入的研究，具体包括：1. 分析了加工中心主轴的结构特点及其对静态特性的影响，并从满足其静态特性的角度，对本课题电主轴进行设计。2. 通过对主轴单元进行的结构建模和力学特性分析，获得了
2、主轴单元刚度的计算方法，对加工中心主轴道的静刚度进行计算，研究了主轴是否符合应力要求.3. 对加工中心主轴进行三维有限元建模，经ANSYS计算，得出了加工中心主轴的静刚度,并分析在载荷作用下结构部件上引起的位移，应力，应变和力。课程设计要达到的目的和意义：根据主轴刚度的计算和ANSYS的分析结果研究提高主轴刚度的措施，加工中心主轴的结构设计，静态特性在很大程度上决定了加工中心的加工质量和切削能力，也是影响其加工精度的重要因素。主轴结构的研究和静态特性的分析，对于进一步提高加工中心主轴工作性能有十分重要的意义。课题研究要达到的目的：1.利用有限元计算加工中心主轴单元的刚度值，校核是否满足设计要求
3、的刚度值。2. 加工中心主轴单元的刚度受主轴和轴承参数共同影响，要提高加工中心主轴单元的刚度，可以在满足轴承、电机转子等结构和工作性能的前提下增大主轴直径;尽量缩短前悬伸量a;同时通过计算选择最佳跨距L；也可以通过选择刚度较大的轴承来提高加工中心主轴单元的刚度，特别是提高前轴承组的刚度。二、文献综述（国内外相关研究现况和发展趋向）设计之前，必须做好一切准备工作，而收集有关设计课题研究方面的资料、文献是最为重要的。在设计工作开始时，只有对课题研究的内容有了充分地了解，才会有设计目的和方向；所以收集、查阅有关文献资料是必要的。加工中心，简称cnc，是由机械设备与数控系统组成的使用于加工复杂形状工件
4、的高效率自动化机床。加工中心又叫电脑锣。加工中心备有刀库，具有自动换刀功能，是对工件一次装夹后进行多工序加工的数控机床。加工中心是高度机电一体化的产品，工件装夹后，数控系统能控制机床按不同工序自动选择、更换刀具、自动对刀、自动改变主轴转速、进给量等，可连续完成钻、镗、铣、铰、攻丝等多种工序，因而大大减少了工件装夹时间、测量和机床调整等辅助工序时间，对加工形状比较复杂，精度要求较高，品种更换频繁的零件具有良好的经济效果。数控机床以其卓越的柔性自动化的性能、优异而稳定的精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，它开创了机械产品向机电一体化发展的先河，成为先进制造技术中的一项核心技术。数控系统技术的突飞
5、猛进为数控机床的技术进步提供了条件。当前，加工中心数控机床的发展主要体现为以下几方面：1 高速、高效机床向高速化方向发展，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。2 高精度从精密加工发展到超精密加工，是世界各工业强国致力发展的方向。其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级（#lt;10nm），其应用范围日趋广泛。当前，在机械加工高精度的要求下，普通级数控机床的加工精度已由10 m 提高到5 m；精密级加工中心的加工精度则从35 m，提高到11.5 m，甚至更高；超精密加工精度进入纳米级（0.001
6、m），主轴回转精度要求达到0.010.05 m，加工圆度为0.1m，加工表面粗糙度Ra=0.003 微米等。3 高可靠性随着数控机床网络化应用的发展，数控机床的高可靠性已经成为数控系统制造商和数控机床制造商追求的目标。对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在16 小时内连续正常工作，无故障率在P（t） 99%以上，则数控机床的平均无故障运行时间MTBF 就必须大于3000 小时。我们只对一台数控机床而言，如主机与数控系统的失效率之比为10:1（数控的可靠比主机高一个数量级）。此时数控系统的MTBF 就要大于33333.3 小时，而其中的数控装置、主轴及驱动等的MTBF 就必须大于10 万小时
7、。当前国外数控装置的MTBF 值已达6000 小时以上，驱动装置达30000 小时以上，但是，可以看到距理想的目标还有差距。4 复合化在零件加工过程中有大量的无用时间消耗在工件搬运、上下料、安装调整、换刀和主轴的升、降速上，为了尽可能降低这些无用时间，人们希望将不同的加工功能整合在同一台机床上，因此，复合功能的机床成为近年来发展很快的机种。柔性制造范畴的机床复合加工概念是指将工件一次装夹后，机床便能按照数控加工程序，自动进行同一类工艺方法或不同类工艺方法的多工序加工，以完成一个复杂形状零件的主要乃至全部车、铣、钻、镗、磨、攻丝、铰孔和扩孔等多种加工工序。就棱体类零件而言，加工中心便是最典型的进
8、行同一类工艺方法多工序复合加工的机床。事实证明，机床复合加工能提高加工精度和加工效率，节省占地面积特别是能缩短零件的加工周期。5 多轴化随着5 轴联动数控系统和编程软件的普及，5 轴联动控制的加工中心和数控铣床已经成为当前的一个开发热点，由于在加工自由曲面时，5 轴联动控制对球头铣刀的数控编程比较简单，并且能使球头铣刀在铣削3 维曲面的过程中始终保持合理的切速，从而显着改善加工表面的粗糙度和大幅度提高加工效率，而在3 轴联动控制的机床无法避免切速接近于零的球头铣刀端部参予切削，因此，5 轴联动机床以其无可替代的性能优势已经成为各大机床厂家积极开发和竞争的焦点。最近，国外还在研究6 轴联动控制使
9、用非旋转刀具的加工中心，虽然其加工形状不受限制且切深可以很薄，但加工效率太低一时尚难实用化。6 智能化智能化是21 世纪制造技术发展的一个大方向。智能加工是一种基于神经网络控制、模糊控制、数字化网络技术和理论的加工，它是要在加工过程中模拟人类专家的智能活动，以解决加工过程许多不确定性的、要由人工干预才能解决的问题。智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量的智能化，如自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作的智能化，如智能化的自动编程，智能化的人机界面等；智
10、能诊断、智能监控，方便系统的诊断及维修等。世界上正在进行研究的智能化切削加工系统很多，其中日本智能化数控装置研究会针对钻削的智能加工方案具有代表性。三、拟采取的研究方法（方案、技术路线等）和可行性论证通过网络工具、图书馆的书籍和各类期刊的学习和查阅，了解它的相关知识，确定本设计符合要求，满足需要。具体设计方法如下1.了解加工中心主轴的的发展趋势和满足的工作要求2.掌握加工中心主轴的工作原理和结构3.了解高加工中心主轴的轴承的选用和装配4掌握加工中心主轴的刚度计算和校核6.熟悉ANSYS的建模和静力分析7.能够利用ANSYS出应力位移的云图和数据四、预期结果（或预计成果）1. 有限元计算加工中心
11、主轴单元的刚度值为236N/mm左右，满足设计要求刚度值为200N/m。从刚度值这一点来看加工中心主轴的结构参数及轴承的选择是合理的。2. 加工中心主轴单元的刚度受主轴和轴承参数共同影响，要提加工中心主轴单元的刚度，可以在满足轴承、电机转子等结构和工作性能的前提下增大主轴直径;尽量缩短前悬伸量a;同时通过计算选择最佳跨距L；也可以通过选择刚度较大的轴承来提高电主轴单元的刚度，特别是提高前轴承组的刚度。3. 初步掌握ANSYS软件的建模和静力分析它的步骤是建立模型，划分网格，约束，加载负荷，出云图和数据。五、研究进度安排为保证顺利完成毕业设计，特制定工作进度计划，严格按要求进行，以免前松后紧，到
12、期不能答辩影响正常毕业。一、1月05日-1月09日 下设计任务书，查阅文献资料。二、3月14日-3月15日 完成开题报告及总体设计方案。三、3月16日-4月29日 熟悉加工中心主轴的工作原理和基本结构以及润滑和冷却系统。四、4月30日-5月3日 计算绘制总装配图、零件图，确定基本尺寸。五、5月 4日-5月9日 熟悉运用有限元软件ANSYS对加工中心主轴进行建模分析出云图。 六、5月10日-5月 17日 编写设计说明书。 七、5月18日-5月29日 整理上交各种文件，进行答辩准备。六、主要参考文献1苏清友.国内外高速电主轴磨削技术的发展与分析D.辽宁：东北大学.1995.1.2张朝晖.ANSYS
13、12.0结构分析工程应用实例解析M.北京：机械工业出版社.2010.3高耀东，郭喜平.ANSYS机械工程应用25例M.北京：电子工业出版社.2007.4薛凤仙，胡仁喜.ANSYS12.0机械与结构有限元分析M.北京：机械工业出版社.2010.5解文志.高速电主轴动静态特性有限元分析D.黑龙江：哈尔滨工业大学.2006.6.6胡爱玲. 高速电主轴动静态特性有限元分析D. 广东：广东工业大学.2004.5.7崔海云.磨削类高速电主轴动态热态特性研究D.太原：太原科技大学.2010.7.8徐化文.主轴单元结构及静动态性能的研究D.兰州：兰州理工大学.2010.5.9刘鸿文.材料力学M.北京:高等教育
14、出版社,2008:1.10陈于萍.互换性与测量技术基础M.北京:机械工业出版社,2007:1.11吴宗泽.机械零件设计M.北京:机械工业出版社.2003:11.12 刘国庆，杨庆东.ANSYS工程应用（机械篇）M.北京：中国铁道出版社，2003.13 徐延忠.高速磨削电主轴关键技术的研究D. 南京：东南大学.2004.3.14 钱木，蒋书运.高速磨削用电主轴结构动态优选设计D.南京：东南大学.2005.5.15 梁双翼，基于ANSYS的高速电主轴有限元分析D.南宁：广西工学院.2006.16林辉.木工用高速电主轴设计与性能分析D.广州：广东工业大学.2008.5.七、审核意见指导教师对开题的意见：指导教师签字： 年 月 日院系审核意见：审核人签字： 年 月 日说明：1、该表每生一份，院系妥善存档；2、课题来源填：“国家、部、省、市科研项目”或“企、事业单位委托”或“自拟课题”或 “其它”；课题类
