机械论文：陶瓷球研磨机床静动态特性分析及机械关键部件结构优化研究.pdfVIP

机械论文：陶瓷球研磨机床静动态特性分析

及机械关键部件结构优化研究

本文是一篇机械论文，本文对陶瓷球研磨机床整机及关键部件结构进

行了静动态特性分析，研究静动态特性分析的结果，找出需要进行优

化的部件，对这些部件采用合适的方法进行结构优化，优化后部件的

静动态特性提高，质量减小。机床的性能提高并且质量减轻。

第1章绪论

1.1课题背景及意义

随着陶瓷球轴承在航天航空、化工、地铁、电力及机械等诸多领

域的应用，陶瓷材料的需求也越来越大，氮化硅（Si3N4）陶瓷材料

应用最为广泛。与轴承钢材料相比，Si3N4陶瓷材料具有密度低、硬

度高、耐热性，耐腐蚀性等特点，陶瓷球轴承中的滚动体部分由Si3N4

陶瓷材料制成。Si3N4陶瓷球加工主要是对毛坯陶瓷球进行研磨加工，

得到高精度的Si3N4陶瓷球。

为了生产出高精度的Si3N4陶瓷球，必须具备高精度的生产装备。

生产陶瓷球的机床需要具有良好的结构特性[1,2]。利用传统的类比设

计法和经验设计法设计机床，机床的质量取决于设计人员的水平，机

床的结构和静动态特性可能达不到要求，机床的加工精度通常也不高

[3-5]。随着我国工业化的发展和进步，对机床的性能要求越来越高，

传统的结构设计方法设计出来的机床已经不能满足要求；同时随着计

算机技术的发展，新的机床设计技术与方法也随之出现。国外开始运

用有限元分析的方法对机床进行结构分析和优化设计。与国外相比我

国设计方法效率低，成本高而且设计出来的机床性能差，在国际上缺

乏竞争力。于是我国的机床结构设计人员开始学习西方先进的机床分

析和优化设计技术，运用有限元分析工具对机床结构进行分析，设计

与优化。到目前为止有限元分析和优化技术已经得到广泛的应用，利

用有限元技术对机床进行分析与优化也成为一种趋势。近年来国内机

床的设计与制造有了很大的进步，设计出来的机床具有良好的性能和

加工精度，越来越接近国际水平[6-10]。

1.2国内外研究现状

1.2.1机床有限元分析研究现状

国内的机床静动态特性分析和结构优化的目的主要在于机床

轻量化设计和提高机床静动态特性，最终实现机床性能和加工精度的

提高，同时考虑机床的经济性。

宋宇对常用的内部布置加筋板的箱型床身结构，提出了一种同

时考虑床身结构的静动态刚度和经济性的综合优化技术，对床身结构

的垫铁位置，内部筋板结构以及构件尺寸进行优化。优化结果表明：

在床身结构质量减少24.48%的情况下，结构的一阶固有频率提高

7.83%，说明优化方法的有效性[13]。

范晋伟以某型号的凸轮轴磨床为研究对象，基于ANSYSWorkbench

对机床静动态性能进行分析。利用solidworks软件进行三维建模，

通过ANSYSWorkbench有限元分析软件对床身进行静动态特性分析，

进行实验模态分析与有限元分析结果进行比较。实验结果与有限元分

析的结果相差不大，证明利用有限元对该对象进行分析的可行性[14]。

魏国峰以CK6130型数控车床为研究对象，用三维软件Pro/E建立

床身的三维模型，对床身的三维模型进行有限元静动态特性分析，通

过分析结果，找出了结构上的问题，对CK6136型数控机床进行结构

优化，确定合理的床身结构，在保证机床刚度提高的条件下，减轻了

机床的质量，为CNC数控机床的设计制造提供理论基础[15]。

陈俊对滚齿机床床身进行分析与优化，通过三维造型软件建立滚齿机

机床床身的三维模型,用AnsysWorkbench对建立的滚齿机床身模型

进行了静态特性分析,得出了变形与应力等值线图。在

AnsysWorkbench的DesignXplorer模块下，以床身的最小变形量为

优化目标,对床身结构进行了优化,比较优化前后的最大位移与最大应

力值，优化后最大位移与应力值都减少，机床的静态特性提高[16]。

第2章陶瓷球研磨机床有限元模型的建立

2.1陶瓷球研磨机床简介

陶瓷球研磨机床是陶瓷球加工过程中的关键设备之一。它是在研磨盘

与陶瓷球之间置以研磨剂，研磨盘在一定压力下与陶瓷球作复杂的相

对运动，通过研磨剂的机械及化学作用实现对陶瓷球的研削加工。该

设备的性能优劣将最终决定陶瓷球的精度等级。近年来，轴承行业的

发展非常迅速，轴承行业对陶瓷球加工设备特别是对研球机的需求量

很大