摘 要

随着时代的发展与科学技术的不断突破，工业生产中对车床的使用要求越来越高。设计生产出高效、多能经济型的合格数控车床，已经越来多地受到人们的关注。而传统的机床设计中，设计者常凭经验或已有的工程实例用比拟的方法进行设计，造成设计余量过大，浪费材料或者出现致命的结构缺陷的情况。目前，国内对数控机床的主轴箱体结构的研究成果不显著，没有形成一套理论和方法。

本课题的研究方法不同于传统的计算分析，而是基于已有的有限元分析软件ANSYS15.0，通过有限元法，对一款现存数控车床的主轴结构进行应力、应变分析，进而在结构本身安全可靠的条件下，使结构更合理，材料消耗最日少。本次分析中采用了主流的三维建模软件SolidWorks 2015,进行了有限元结构的建模，并完成与有限元软件ANSYS的完美对接，并在ANSYS15.0中完成了静应力分析，对本机床主轴箱的现有结构提出改进方案，帮助厂家改进产品结构，提高产品的质量与可靠性。

关键词：主轴箱；有限元分析；应力；优化设计

Abstract

Along with the development of The Times and constantly breakthrough of science and technology, industrial production in the use of lathe demand is higher and higher. Design to produce efficiently, can the economy model is qualified nc lathe, has the more and more get the attention of people. And the traditional machine tool design, designers often by experience or existing engineering example with analogy method to carry on the design, design margin is too large, waste materials or the structure of the fatal defects. At present, the domestic study of nc machine tool spindle box structure results was not significant, not formed a set of theories and methods.

This topic research methods different from the traditional calculation analysis, but based on the existing finite element analysis software ANSYS15.0, through the finite element method, the structure of an existing CNC lathe spindle, stress and strain analysis on the structure itself, safe and reliable conditions, make the structure more reasonable, the most day less material consumption. Mainstream is adopted in the analysis of three dimensional modeling software solid works 2015, carried on the finite element modeling of the structure, and completes the docking with the perfection of the finite element software ANSYS, the static stress analysis was done in ANSYS15.0, modal analysis and optimization design of this machine tool spindle box of existing structure puts forward improvement scheme, to help manufacturers improve product structure, improve product quality and reliability.

Keywords：Spindle box. The finite element analysis; Stress and strain; The optimization design

目录

第1章 绪论

1.1 机床的发展历史

1.2 计算机仿真技术的发展

1.3 有限元法概述

1.4 本论文主要研究内容

第2章 车床总体组成及主轴箱建模及受力分析

2.1 车床组成部分及部分的作用

2.2 车床主轴箱的构成 7

2.3 主轴箱的建模及输出

2.3.1 Solid works软件的介绍

2.3.2 主轴箱有限元模型的建模及向有限元软件的输出

2.4. 特定切削工况下车床主轴箱的受力平衡分析

2.4.1 切削力分析计算

2.4.2 主轴箱上的受力计算

第3章 基于ANSYS的主轴箱分析步骤

3.1. 基于ANSYS的有限元原理及方法

3.1.1 有限元分析方法概述

3.1.2 有限元分析的基本思想

3.1.3 ANSYS的主要功能

3.1.4 ANSYS提供的分析类型

3.2 主轴箱结构分析的有限元法

3.3 主轴箱的ANSYS静应力分析

3.3.1 模型的简化

3.3.2 单元类型的选择

3.3.3 材料的选择。

3.3.4 导入模型并设置为上色模式

3.3.5 模型实体的合并

3.3.6 施加位称约束

3.3.7 施加压力

3.3.8 网格划分

3.3.9 求解

第4章 ANSYS静应力计算结果分析

4.1 应力分析

4.2 刚度分析

4.3 应力偏差分析

第5章 车床结构的方案改进与验证

5.1 机械结构的改进与优化综述

5.2 优化后得二次分析与比较

结 论

致 谢

参考文献

1绪论

1.1机床的发展历史

机床设计和制造的发展速度是很快的。由原先的只为满足加工成形而要求刀具与工件间的某些相对运动关系和零件的一定强度和刚度，发展至今日的高度科学技术成果综合应用的现代机床的设计，也包括计算机辅助设计（CAD）的应用。但目前机床主轴变速箱的设计还是以经验或类比为基础的传统（经验）设计方法。因此，探索科学理论的应用，科学地分析的处理经验，数据和资料，既能提高机床设计和制造水平，也将促进设计方法的现代化。

随着科学技术的不断发展，机械产品日趋精密、复杂，改型也日益频繁，对机床的性能、精度、自动化程度等提出了越来越高的要求。机械加工工艺过程自动化是实现上述要求的重要技术措施之一，不仅能提高产品质量和生产率，降低生产成本，还能改善工人的劳动条件。为此，许多企采用自动机床、组合机床和专用机床组成自动或半自动生产线。但是，采用这种自动、高效的设备，需要很大的初期投资以及较长的生产准备周期，只有在大批量的生产条件（如汽车、拖拉机、家用电器等工业主要零件的生产）下、才会有显著的经济效益。某型号的普通机床如图1-1所示，它具有通用性较好，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。该车床有24个转速，其中最高转速为1400转/分。

图1.1某型号车床意图结构示