机床主轴结构的优化设计复习课程知识讲稿.pptVIP

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机床主轴结构的优化设计复习课程知识讲稿.ppt

* * 机床主轴结构的优化设计 组员:刘达 03340081107 周详 03340081103 数控车床 立式加工中心 机床主轴 机床主轴优化设计的必要性 传统的常规设计方案是凭借设计人员的经验直观判断,靠人工进行有限次计算做出的,往往很难得到最优结果。但自从20世纪60年代最优化设计方法出现以来,伴随着现代计算技术的发展和应用,在机械设计领域,已经可以用现代化的设计方法和手段得出最佳的设计方案,从而大大提高设计效率和质量。 机床主轴是机床中的一个非常重要的零件,它关系到整个机床的使用性能,选择一个最佳的设计方案,显然会大大提高机床整体的质量。 问题引入: 对右图所示主轴进行优化设计,已知机床主轴的输入功率P=1.5kW,主轴的转速n=940r/min,主轴的悬臂端受到的切削力F=20000N,主轴内径d=40mm,悬臂端许用挠度y0=0.05mm取 , 要求主轴两支承跨距(L)为350mm≤L≤600mm,外径(D)为70mm≤D≤150mm,悬臂端长度(a)为80mm≤a≤160mm.主轴的材料采用40Cr,密度 从机床主轴制造成本和加工精度的要求出发,考虑主轴的自重和外伸段挠度这两个重要因素,选取主轴的质量最轻和最小轴端位移为设计目标,将主轴的刚度作为约束条件。 建立模型: 机床主轴一般为多支撑空心阶梯轴,为了便于使用材料力学公式进行结构分析,将其简化成一阶空心主轴,并且为两支撑主轴形式,如下图所示。 该问题考虑因数: 主轴自重。 对于普通车床,并不要求过高的加工精度,已选取主轴的自重最轻为目标,外伸端的挠度为约束条件。 本文设计的机床主轴结构主要由5个参数来确定: (1)主轴悬伸段直径Da; (2)主轴前后支承间轴径D; (3)支承跨距L; (4)主轴悬臂端长度a; (5)主轴内孔直径d. 另外,主轴轴端有作用力 F 和弯矩 M.设 1.1设计变量 1.2 目标函数 在满足主轴传动要求下,减轻重量,节约材料,降低成本.以最小自重为追求的目标.机床主轴的质量: 式中:ρ 为主轴密度(kg/cm3 ),令 则目标函数为: . 只考虑力矩M作用在主轴前端时,主轴前端产生位移为: 式中:M 为主轴端受到的力矩(N·mm). 机床主轴前端位移Y 可认为是同平面内的 和 之和, 故有 (1) 另外,机床主轴端所受力矩M 是有切削加工时切削力F 引起的,为便于设计计算,取M=2aF,代入到式(1)可得: 刚度约束为 ,故 1.3.2 扭转变形的限制 轴的扭转刚度条件为: 式中:T 为轴所受最大扭矩 G 为轴材料的剪切弹性模量,G = 8.1×104MPa , 为轴截面的最小惯性矩, ,则 1.3.3 偏转角约束 θ[θ],因在后支承截面B处的偏转角最大,在后支承截面B处的偏转角为: 故只需满足θ[θ] ,则 *

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