高速五轴加工中心万能铣头关键部件的可靠性分析及软件开发

摘要

主轴作为高速五轴加工中心万能铣头的关键部件之一,其可靠性指标直接决定万能铣头的加工水平,并影响铣头的加工精度。随着技术的不断改进,生产出更高精度、更高强度、更小振动、更小变形及更低噪声的万能铣头已成大势所趋,因此对主轴的可靠性分析具有十分重要的意义。本文以某机床GMC2000A龙门加工中心万能铣头的主轴为研究对象,通过可靠性相关理论展开研究与分析,主要完成工作如下:
　　(1)首先根据主轴的尺寸参数完成主轴有限元几何模型的建立,其次通过分析主轴系统的工作原理得到模型的约束及载荷主要有:轴承约束、主轴后端面约束、切削力载荷及转速载荷等。在轴承约束的计算中,本文通过组合弹簧的形式对轴承进行简化,并通过轴承轴径向刚度系数经验计算公式确定弹簧的弹性系数。此外,文中还通过经验公式计算主轴在切削过程中所受切削力。
　　(2)以主轴失效分析为切入点,将热失效和磨损失效作为主轴可靠性分析及性能评估的主要研究手段。对于主轴热分析失效,本文首先明确主轴的热源为轴承摩擦,进而根据热源的位置制定主轴的温度试验方案。此外,本文通过经验公式分析求解得出主轴热仿真载荷值,并通过有限元热仿真得到主轴热仿真结果。最后,通过仿真数据与试验数据对比可得的结论有:主轴没有发生热失效且其有限元模型的建立是合理的。
　　(3)对于主轴磨损失效,本文首先借助经验公式建立主轴磨损量与振幅的关系,并制定主轴振动试验,由此获取主轴在工作环境中振幅与时间的函数关系,进而推导出磨损量与时间的函数关系式。此外根据经验可得,当主轴发生磨损失效时,主轴磨损量U与磨损面积S的比例通常在300左右,即当U?300 S时,主轴发生磨损失效。最终通过上述失效条件,估算出主轴的平均无故障时间 MTBF为2248.2h。
　　(4)最后本文基于可靠性分析理论开发出一款机械可靠性分析软件UEST_IORE。除外,介绍软件各个功能模块的实现流程,并以万能铣头的主轴为分析对象,测试软件随机性分析、可靠性指标计算、热失效分析以及磨损失效分析等功能的运行情况。

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第一章 绪论

1.1 课题背景

1.2 加工中心万能铣头主轴简介

1.3 国内外研究状况

1.4 研究思路与内容安排

第二章 主轴的有限元建模

2.1 有限元法的基本原理

2.2 主轴的三维结构建模

2.3 主轴有限元模型的约束及载荷加载

2.5 本章小结

第三章 主轴的热失效分析

3.1 热分析有限元的基本原理

3.2 主轴的热源分析

3.3 主轴的温度试验方案

3.4 主轴热载荷的分析及加载

3.5 主轴热仿真结果与试验结果比较

3.6 本章小结

第四章 主轴的磨损失效分析

4.1 动态有限元分析的基础原理

4.2 磨损经验关系

4.3 主轴试验与寿命验证

4.4 本章小结

第五章 机械可靠性分析软件实现

5.1 机械可靠性分析软件国内外研究成果及简介

5.2 UESTC_IORE软件主要功能模块介绍

5.3 UESTC_IORE软件在主轴上的应用

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果