一、研究背景及意义

当今数控滚齿机的发展，除了要求机床重量轻、成本低、使用方便和具有良好工艺性外，还着重要求机床具有愈来愈高的加工性能。主轴箱是数控滚齿机的关键部件，它的性能进一步向高转速、高精度、高强度方向发展。而它的强度、刚度好坏将直接影响到数控滚齿机的精度和寿命。若采用常规的算法对其进行研究，很难准确地计算出主轴箱各部件的受力状态和变形情况。因此，为了保证机床具有良好的静、动刚度、动态特性、精度保持性及加工工艺性，使主轴箱实现优化设计，进而降低成本获得较高的经济效益，需要在机床的设计过程中，对机床的结构，静、动态特性进行有限元分析和结构优化，以便能准确的发现薄弱环节，实现机床结构的动态设计和优化。

二、有限元研究方法和应用

目前有限元方法在机床结构设计中的应用主要有以下几个方面:1.静力学分析。这是对二维或者三维机床零件承载后的应力和应变的分析，是有限元在机床设计中最基本、最常用的分析类型。通过静力学分析,可以计算材料内部每点处的应力、应变、位移(变形)和变形能量等数据,可以找出应力集中的部位,帮助设计者发现潜在的设计缺陷；2.模态分析。这是动力学分析的一种，用于研究结构的固有频率和各振型等振动特性，进行这种分析时所施加的载荷只能是位移载荷和预紧力载荷。模态分析用于确定设计结构的振动特性（固有频率和振型），他们是承受动载荷的结构设计中的重要参数。同时，也是瞬态分析、谐响应分析，谱分析的的起点。3.谐响应分析和瞬态动力学分析。这两类分析也属于动力学分析，用于研究机床对周期载荷和非周期载荷的动态响应。常用于旋转设备和受涡流设备的有限元分析；4.热应力分析。用于研究结构内部的热应力。5.接触分析。用于分析两个结构件接触时的接触面状态和法向力。

有限元法分析计算的基本步骤可归纳为以下五点：1）结构的离散化；2）单元分析；3）整体分析; 4) 求解方程，得出节点位移；5）由节点位移计算单元的应变与应力等。此外，有限元分析可分成两个阶段，前处理和后处理。前处理是建立有限元模型，完成单元网格划 分；后处理则是采集、分析结果，使用户能简便提取信息，了解计算 结果。如今，所要解决的就是将这种分析方法有效的运用在数控滚齿机的优化方面。

三、优化设计的研究现状

近年来，在计算机技术和数值分析方法支持下发展起来的有限元分析方法则为解决这些复杂的工程分析计算问题提供了有效的途径。在工程实践中，有限元分析软件与CAD系统的集成应用使设计水平发生了质的飞跃。目前，国内的数控滚齿机结构优化设计主要是应用在刚度、强度、模态分析、谐响应分析和瞬态动力学分析等等。通过三维软件，比如Pro-E、UG等建立数控磨齿机主轴箱的三维模型，必要时要进行模型的简化，再利用诸如Pro-E和ANSYS间的接口技术，将简化模型导入有限元分析软件中，建立有限元模型，运用其中的模块进行主轴箱的静态刚强度分析，计算主轴箱的应力和变形情况。如通过静力分析结果，清楚地认识到轴向刚度和径向刚度对数控滚齿机整体刚度影响情况。有限元分析方式的出现，使目前机床的精度和速度都得到了质的提高。主轴箱作为机床的关键部件，也因为有限元分析的成熟，其精度和可靠度达到了相当高的水准。

四、滚齿技术和有限元分析及优化未来发展趋势

从滚齿技术的未来发展方向。效率是效益的最根本因素，质量是产品的生命之源，更快、更精是滚齿机永恒的发展方向。在科学技术的进步和市场需求的引导下，未来，机床还会朝以下几个方向继续发展。首先，新型刀具材料的出现，为高速切削提供了广阔的空间，为提高切削效率也提供了基础，朝着更高的速度发展。其次，用于高精密机床的材料和技术在滚齿机上的应用，滚齿技术将朝着更精密的方向发展。再次，数控进一步智能化，内容包括在数控系统中的各个方面。 滚齿机正朝着复合功能的方向迈进，随着数控技术、软件技术、信息技术、可靠性技术的发展，实现构件简约化、结构紧凑化、配置模块化。复合功能滚齿机既会根据用户的加工要求向多样化发展，也会为适合于多品种、单件和小批量生产条件向全功能性发展。而在其他方面，随着全球对环境和安全要求的不断提高，安全无污染的设备也是市场的未来目标。这就要求我们很好的运用有限元软件对于数控滚齿机进行深入的研究。

随着计算机技术的飞速发展和高速信息化，有限元分析技术不断完善和发展。毫无疑问，有限元优化方法相对于传统方法优势明显，如今，参数优化的理论已经成熟，在工程应用中解决问题能力不断增强。实际应用表明，有限元优化设计不仅为工程设计提供了一种新的科学方法，使得在解决复杂设计问题时，能从众多方案中找到尽可能完善的或者最合适的设计方案，而且采用这种设计方法能大大提高机床的设计效率和设计质量。