数控车床附加主轴设计及有限元分析
CJK6132数控机床设计——主轴的有限元分析
广西工学院毕业设计（论文）任务书设计题目：CJK6132数控机床设计——总体方案设计及主轴的有限元分析系别：机械工程系专业班级：姓名：学号：指导教师：二O一五年三月十五日一、毕业设计（论文）的内容1、完成CJK6132数控车床总体设计方案，完成外观及尺寸联系图。
2、进行主要技术参数的确定，完成主轴及主轴组件的设计，绘制主轴零件图。
3、完成主轴的力学分析，建立主轴的力学模型，确定主轴的典型工况。
4、完成主轴的静态分析并。
5、完成主轴的动态分析。
6、完成主轴的模态分析。
7、试验方案的拟定。
二、毕业设计（论文）的要求与数据2、要求。
（1）根据总体设计方案，绘制总体外观图及联系图，完成整机三维建模。
（2）确定设计方案完成开题报告。
（3）进行主运动系统的设计,绘制主传动系统装配（床头箱展开）及相应零部件图。
（4）图纸量不少于折合4张A0。
（5）科技译文（不少于3000汉字）。
（6）编写毕业设计说明书一套。
（7）根据课题内容进行实习，并完成实习报告一份。
三、毕业设计（论文）应完成的工作如上要求四、毕业设计（论文）进程安排五、参考资料及文献查询方向、范围1 罗学科，谢富春. 数控原理和数控机床.北京：化学工业出版社，20032 陈蔚芳，王洪涛. 机床数控技术及应用.北京：科学出版社，20053 文怀兴，夏田. 数控机床系统设计.北京：化学出版社，20054 林宋，田建君.现代数控机床.北京：化学出版社，20035 CNC Technology and Progranming; [美]Steve Krar & Arthur Gill6 Smith S, Tlusty J. Currrent Strends in High Speed Machining. Journal ofManufacture Science and Technology,ASME,1997,37(8):664～6677 《机床设计手册》编写组编。
数控车床主轴系统热特性有限元分析及验证
１ ８ ６ Ｍａ ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｒ ｙ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ＆ Ｍａ ｎｕ ｆ ａ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ
第 ５期
２ ０ １ ３年 ５月
数控 车床 主轴 系统热特性有 限元分析及验证
刘 启 伟
（ 沈 阳机床 （ 集 团） 设计 研 究 院 ， 辽宁 沈 阳 １ １ ０ １ ４ ２ ）
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有限元分析在机床结构优化设计中的应用
有限元分析在机床结构优化设计中的应用有限元分析(Finite Element Analysis)是一种利用计算机模拟物理系统的工程分析方法，能够预测结构在各种外载荷下的响应情况。
在机床结构优化设计中，有限元分析是非常重要的工具。
一、机床结构优化设计的意义机床是制造业的重要设备之一，但是机床的制造成本、维护成本、能耗成本都比较高。
为了提高机床的性能和降低成本，需要进行结构设计的优化。
优化设计既可以提高机床的工作精度，优化结构，还能够减少机床重量，降低能耗成本。
二、有限元分析的基本原理有限元分析是一种模拟物理系统的方法，它可以通过将大的结构划分成小的单元，并建立数学模型来计算结构在各种外载荷下的响应情况。
基本原理如下：1、建立模型：将结构划分成小的单元，并建立数学模型。
2、施加载荷：将结构施加各种外载荷，例如重力、压力、加速度等。
3、求解模型：利用计算机数值方法求解结构在各种外载荷下的响应情况。
4、分析结果：通过分析求解结果，评估结构的性能、强度、刚度等方面。
5、优化设计：根据分析结果，对结构进行优化设计。
三、有限元分析在机床结构优化设计中的应用有限元分析可以应用于机床结构的优化设计，主要包括以下几个方面。
1、材料的选择在机床结构中，材料的选择非常重要，因为不同材料的性质不同，会影响机床的工作精度和性能。
利用有限元分析可以预测机床在各种外载荷下的响应情况，并确定材料的合适选择。
2、优化结构设计机床结构非常复杂，因此在设计过程中可能存在缺陷或者弱点。
有限元分析可以帮助设计者预测和评估机床结构在各种载荷下的响应情况，并帮助设计者确定如何优化结构设计。
3、优化布局方案机床的各种部件需要进行合理的布局，以确保机床的工作精度和性能。
有限元分析可以模拟机床在各种外载荷下的响应情况，帮助设计者确定合适的布局方案。
4、降低材料成本机床的材料成本非常高。
有限元分析可以帮助设计者确定机床结构所需的材料数量，从而降低机床的材料成本。
大型数控车床床身结构的有限元分析
大型数控车床床身结构的有限元分析数控车床是一种高精度、高速、高自动化的机械设备。
其关键部分是床身结构，在高精度切削加工过程中承担着不小的负荷，因此对于其结构的优化设计至关重要。
本文将通过有限元分析对数控车床床身结构的强度和刚度进行优化设计。
一、有限元分析的基本概念有限元分析是求解强度、振动、热力学等问题的一种重要方法。
有限元方法将一个复杂的结构分割成有限个单元，每个单元可以看作是一个简单的结构，可以通过计算单元内各个点的力和位移，得到整个结构的力和位移的分布情况。
在有限元分析中，要首先进行预处理，包括建模、离散化和求解算法的选择等步骤。
然后进行求解过程，通过解出各个单元的刚度矩阵和外载荷矩阵，再根据边界条件组成总刚度矩阵和外载荷矩阵，最终求解结构中各点的位移和应力等参数。
最后进行后处理，对计算结果进行分析和优化。
二、建立数控车床床身的有限元模型在进行有限元分析之前，需要建立数控车床床身的有限元模型。
床身结构可以分为两部分：主床身和副床身。
主床身是床身的主要承载部分，唯一支撑和固定主轴箱和刀架；副床身是连接两端的连接体，起连接两端床身和承受工件切削力的作用。
我们分别对主床身和副床身进行静力学分析，求解其强度和刚度。
三、床身结构的静力学分析床身结构主要受到外部力荷载和自重荷载的作用。
基本的受力情况如下：1. 主轴箱在切削时产生的切向力和径向力。
2. 刀架的重量产生的自重荷载。
3. 工件在切削时产生的切向力和径向力。
由于车床的高速旋转的特殊性，其受力情况十分复杂，难以通过简单的解析法求解，因此需要运用有限元分析的方法。
四、床身结构的优化设计基于前面的有限元分析结果，我们可以得到数控车床床身的强度和刚度情况。
若发现床身结构在受到切削载荷时强度不足或刚度不够，我们可以对床身结构进行优化设计，包括优化结构形状，材料选型等方式。
例如，我们可以通过增加床身的内部加强支撑件、合理改变断面的形状、优化床身连接部位的刚性等方式，提高其整体刚度和强度。
数控车床主轴力学特性的有限元分析方法
（上接第２４５页） 为了解决旋转液压缸１３．１串油或单向阀９．１卡死时 引起的问题，增加了保压回路００２，保压回路００２由 小功率定量泵单独供油，且在保压回路中选用具有卸 荷功能的换向阀５，这样在泥炮打泥时保压回路为旋 转液压缸保压，即使旋转液压缸１３．１串油或单向阀 ９．１卡死，仍能使泥炮嘴紧压在泥套上，完成本次周 期，消除了安全隐患，保证了高炉的连续生产。在泥 炮打泥完成后，定量泵可以通过换向阀５直接卸荷， 减少了系统发热，提高了元件的使用寿命。（２）为 了解决液控单向阀卡死时带来的问题，在液控单向阀 前后各设１个常开球阀１．９和球阀１．１０，且在液控单 向阀的进、出油口之间并联常闭球阀，这样在液控单 向阀出现问题时，可以通过关闭球阀１．９和球阀 １．１０、打开球阀１．１１来使本次操作顺利完成，保证 了高炉的连续生产。 ３结论
限元分析［Ｊ］．力学与实践，２００７，２９（２）：５４—５６．
万方数据
【２】陈玉瑜，芮执元．用传递矩阵法分析机床主轴动态特 性［Ｊ］．组合机床与自动化加工技术，２００７（３）：２３
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【３】王刚，郭茂林．航天航空滚动轴承刚度［Ｊ］．哈尔滨 工业大学学报，２００１。３３（５）：６４４—６４５．
【４】杨美英．数控机床主轴组件设计及刚度计算［Ｊ］．机 械．【程与自动化，２００４（２）：７１—７２．
对于主轴结构的静态和动态特性分析，目前常用 的方法主要有解析法和有限元法…。应用解析法分析 时，为了简化计算，需要进行较多的假设，计算精度 不高口１。应用有限元法计算时，现有方法存在以下不 足：（１）静态和动态分析采用相同的单元类型；（２） 不考虑轴承刚度对分析结果的影响。众所周知，采用 有限元法求解问题时，建模方法非常关键，模型的建 立是否合理对求解结果的影响很大。其一是针对特定 的求解对象，单元类型的选择是否合理。比如机床主 轴刚度分析宜采用梁单元进行求解，而模态分析宜采 用实体单元求解。其二是边界条件的考虑是否合理。 机床主轴通过轴承安装在机架上，而轴承是弹性体， 不能将其假设为刚体进行求解。
数控机床重要部件的设计分析
数控机床重要部件的设计分析数控机床作为现代制造业中不可或缺的设备之一，其重要部件的设计分析显得尤为关键。
本文将对数控机床的重要部件进行分析，包括主轴、导轨、伺服系统、加工刀具等方面，旨在探讨其设计原理与优化方法，以提高数控机床的性能和工作效率。
一、主轴的设计分析主轴作为数控机床中的核心部件之一，其设计对于机床的加工精度和工作稳定性有着重要影响。
主轴的设计应考虑以下几个方面：1. 材料选择：主轴应选用高强度、高刚性的材料，如合金钢等，以保证其结构牢固、刚性高，避免振动和变形等问题。
2. 结构设计：主轴的结构设计应考虑其承载能力和转动平稳性。
一般采用轴承支撑形式，可以选择角接触球轴承或滚子轴承，以减小摩擦阻力和提高转动精度。
3. 冷却系统：数控机床在高速运转时会产生较多的热量，主轴的设计应考虑冷却系统，以保持主轴的稳定工作温度，避免过热导致的损坏。
二、导轨的设计分析导轨作为数控机床运动部件间的支撑和导向系统，其设计对于机床的定位精度和加工质量至关重要。
导轨的设计应考虑以下几个方面：1. 材料选择：导轨应选用具有良好耐磨性和刚性的材料，如球墨铸铁等，以减小运动部件之间的摩擦和磨损。
2. 加工精度：导轨的加工精度决定了机床的定位精度，因此，设计时需要考虑导轨的平面度、垂直度和直线度等参数，并进行相关的磨削和校准工艺。
3. 润滑系统：导轨的设计还应包括润滑系统，以减小摩擦和磨损，提高导轨的使用寿命和性能。
三、伺服系统的设计分析伺服系统在数控机床中起着重要的作用，用于控制机床各个部件的运动和位置。
伺服系统的设计应考虑以下几个方面：1. 控制算法：伺服系统的控制算法是保证机床运动精度和稳定性的关键，可以选择PID控制或模糊控制等算法，通过对位置、速度和加速度等参数的控制，实现准确的运动控制。
2. 传动系统：伺服系统中的传动系统决定了机床的运动精度和速度响应，可以选择直接驱动或间接驱动方式，以适应不同的应用需求。
数控卧式重型车床主轴的有限元分析
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有 限 元 法 的基 本 思 想 有 限元 法 是 在 差 分 法 和 变 分 法 基 础 上 发 展 起 来 的
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式重 有 数控卧 型车床主轴的 限元分析
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( 江 汉 大 学 机 电与 建 工 学 院 武 汉
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基于ANSYS的CK6136数控车床的有限元分析及优化设计
基于ANSYS的CK6136数控车床的有限元分析及优化设计概述数控车床是一种用来加工各种金属和非金属材料的机床。
通过对其结构进行有限元分析，并进行优化设计，可以有效提升其性能和可靠性。
本文将基于ANSYS软件对CK6136数控车床进行有限元分析及优化设计。
有限元分析有限元分析是一种数值计算方法，可以通过将结构离散为有限数量的单元，通过求解单元间的力学关系，得到整个结构的应力、应变等信息。
在对CK6136数控车床进行有限元分析时，可以按照以下步骤进行：1.建立模型：使用CAD软件建立CK6136数控车床的三维模型，并导入ANSYS中进行后续分析。
2.确定边界条件：根据实际情况，确定数控车床模型的边界条件，包括约束边界和荷载边界。
3.网格划分：将数控车床模型进行网格划分，将其离散为有限数量的单元，以便进行求解。
4.材料特性：对数控车床模型中的不同部件，设置相应的材料特性，包括弹性模量、泊松比等参数。
5.求解和分析：通过ANSYS进行求解，得到数控车床的应力、应变分布等结果，并进行分析。
优化设计在进行有限元分析的基础上，可以对CK6136数控车床进行优化设计，以提升其性能和可靠性。
优化设计的具体步骤如下：1.设计变量确定：根据数控车床的具体特点和设计要求，确定需要进行优化的设计变量，如刀架结构、主轴轴承等。
2.设计空间确定：根据设计变量的范围和约束条件，确定设计空间。
3.目标函数确定：根据优化目标，确定相应的目标函数，如最小化应力、最大化刚度等。
4.约束条件确定：根据设计要求和约束条件，确定相应的约束条件，如最大应力不超过其中一临界值等。
5.优化算法选择：选择合适的优化算法进行求解，如遗传算法、粒子群算法等。
6.优化求解：通过调整设计变量的取值，使用选定的优化算法进行求解，得到最优解。
7.结果分析：对优化结果进行分析，包括对最优解的解释和结构性能的评估。
总结本文基于ANSYS软件对CK6136数控车床进行了有限元分析及优化设计。
机床主轴有限元分析报告
机床主轴有限元分析基于ansys的机床主轴有限元分析摘要：随着高速数控机床的不断发展，对数控机床主轴的性能要求也开始逐渐提高。
机床主轴的动静态性能直接影响加工系统的精度和稳定性，因此，在设计阶段必须对其机床主轴进行相矢的性能校核。
利用有限元分析软件ANSY对s某机床主轴进行相应的分析，对其性能进行研究。
矢键词：ANSY，S主轴，有限元分析。
研究内容52问题描述：机床主轴材料为45号钢，弹性模量为2.06 x10 5 N.mm2，泊松比为0.3,儿何参数如下图。
图1主轴不意图主轴静态特性的基本概念主轴的静态特性反映了主轴抵抗静态外载荷的能力，静力学分析实际上是为了得到机床主轴在一定静态载荷作用下所产生的变形量。
在实际生产条件下，机床的主要失效形式大部分是由于机床的刚度不足而引起。
所以主轴静刚度的计算就显得尤为重要。
所谓的主轴静刚度实际上就是主轴的刚度，是机床主轴一个非常重要的性能指标，它直接反映出主轴负担载荷与抵抗振动的能力。
如果主轴的静刚度不足，主轴在切削力的作用下，会产生较大的变形量，并可能引起振动。
这样不仅会降低机床的加工精度、增大加工工件表面的粗糖度；也会对轴承造成较大磨损，破坏主轴系统的稳定性。
因此，主轴的静刚度是衡量机床性能的重要指标。
主轴的弯曲刚度的定义可以理解为：使主轴前端产生单位径向变形时，变形方向上所需施加的力F,即：主轴的静刚度，分为轴向静刚度与径向静刚度，上面提到的弯曲刚度实际上就是径向静刚度。
通常情况下，轴向刚度没有弯曲刚度重要。
弯曲刚度是衡量主轴刚度的重要指标，通常用来代指主轴的刚度。
1・主轴有限元模型的建立及边界条件的处理为了真实、准确、有效地对主轴进行特性分析，需要对机床主轴进行相应的简化。
对主轴的简化应该遵循以下原则：(1) 忽略对分析结果影响不大的细小特征，如倒角、倒圆等；(2) 对模型中的锥度和曲率曲面进行直线化和平面化的处理；(3) 忽略对主轴静态特性影响不大的零部件结构。
主轴部件三维实体模型的有限元分析法
《机械设计与制造》主轴部件三维实体模型的有限元分析法主轴是机床的重要部件之一，它的静、动态刚度一直是设计计算的重要内容，但传统的计算方法是把主轴简化为等截面的梁单元进行计算，显然是静不定问题，用这样的力学模型计算主轴的静、动态特性与实际情况有很大的差距。
目前主轴部件设计采用有限元法，可以满足设计过程要求，为主轴结构的优化设计提供依据。
1．主轴部件的结构简化图1是卧式加工中心主轴的结构简图，它是一个多阶梯空心的圆柱体，此结构必须经过一定简化后，方可进行有限元分析，本主轴部件在以下方面进行简化：(1)各处倒角简化成直角，忽略空刀槽；(2)润滑油孔、工艺孔、键槽、螺纹孔等均按实体处理；(3)主轴轴承简化成弹性元件；(4)主轴上齿轮、锁紧螺母、中间隔套、拉刀机构组件等零件简化成集中质量。
图1主轴部件1—铣刀；2—主轴；3—轴承组件；4—隔套；5—密封套；6—齿轮；7—锁紧螺母；8—拉刀机构组件2．单元类型的选择及结构剖分如图1所示主轴部件总长719ｍｍ，平均直径为160ｍｍ，其长径比值为1∶4.49，对于这类主轴部件，常采用三维实体等参元建立有限元分析模型。
在结构剖分过程中，遵循以下原则：(1)不连接处自然分割。
结构在几何形状，载荷分布等方面存在着不连接处，在离散化过程中，应把有限元模型的结点单元的分界线或分界面设置在这些不连续处。
(2)几何形状的近似。
结构离散化使结构原边界变成了单元边界的集合，因而就产生了结构几何形状的离散化误差。
减少几何形状离散化误差的措施：一是采用较小的单元，较密的网络；二是采用高次单元。
(3)单元形态的选择。
单元形状是指单元的形状状态，包括单元形状、边界中点的位置，细长比等。
在结构离散化过程中必须合理选择。
单元最大尺寸和最小尺寸之比称之为细长比。
为了保证有限元分析的精度，单元的细长比不能过大。
根据以上三项原则，可将主轴部件离散为78个实体单元，4个弹簧元素单元模型，如图2。
(ａ)主视图(ｂ)俯视图图2主轴部件三维实体模型图3．约束条件的建立合理确定有限元模型约束条件是成功地进行有限元分析的基本条件，约束条件的确定，应尽可能符合原结构的实际情况。
数控车床主轴设计
数控车床主轴系统分析报告学院：机械工程学院班级：09创新一班姓名：学号：*******xxxMJ-50数控车床主轴结构下图为MJ-50数控车床主轴结构。
交流主轴电动机通过带轮15把运动传给主轴7 。
主轴前支承由一个双列圆柱滚子轴承1 1和一对角接触球轴承1 0组成，轴承11用来承受径向载荷，两个角接触球轴承分别承受两个方向的轴向载荷，另外还承受径向载荷。
松开螺母8的锁紧螺钉，就可用螺母来调整前支承轴承的间隙。
主轴的后支承为双列圆柱滚子轴承14，轴承间隙由螺母1和螺母6来调整。
主轴的支承形式为前端定位，主轴受热膨胀向后伸长，前后支承所用双列圆柱滚子轴承的支承刚性好，允许的极限转速高。
前支承中的角接触轴承能承受较大的轴向载荷，且允许的极限转速高。
主轴所采用的支承结构适宜高速大载荷的需要。
主轴的运动经过同步带轮16、同步带轮3以及同步带2带动脉冲编码器4，使其与主轴同速运转。
脉冲编码器用螺钉5固定在主轴箱体9上。
1、主传动系统的传动方式：机床主传动系统可分为无极变速传动和有级变速变速传动。
与普通机床相比，数控车床的主传动采用交、直流主轴调速电动机，电动机调速范围大，并可无级调速，使主轴箱结构大为简化。
为了适应不同的加工需要，数控车床的主传动系统有一下三种传动方式：1.1由电机直接驱动：主轴电机与主轴通过联轴器直接连接，或采用内装式主轴电动机直接驱动，如下图a所示。
采用直接驱动大大简化了主轴箱结构，能有效提高主轴刚度。
这种传动的特点是主轴转速的变化、出去转矩与电机的特性完全一致。
但由于主轴的输出功率和转矩特性直接决定于主轴电动机的性能，因而使这种变速传动的应用受到了一定的限制。
1.2采用定比传动：主轴电动机经定比传动传递给主轴，如下图b所示。
定比传动可采用带传动或齿轮传动，带传动具有传动噪声小、振动小的有点，一般应用在中小型数控车床上。
采用定比传动扩大了直接驱动的应用范围，即在一定程度上能满足主轴功率与转矩的要求，但其变速范围仍与电动机的调速范围相同。
数控机床主轴最佳跨距求解与有限元分析
spindle components is carried out by ANSYS Workbench software to prove the feasibility of the optimal spindle span.
Keywords: CNC machine tool; spindle; optimal span; finite element analysis
行研究，通过对二支承非卸荷式皮带轮传动主轴进行静力分析的基础上，建立了数学模型，利用卡丹公式对主轴最佳跨距
和静刚度进行求解；通过ANSYS Workbench 软件对主轴部件进行了有限元分析，证明主轴最佳跨距的可行性。
关键词：数控机床；主轴；最佳跨距；有限元分析
中图分类号:TH 122
文献标志码:粤
（4）
2.3 主 轴
最佳跨距
RQB
求解
RQA Q
图3 皮带压轴力作用下主轴受力与变形
在主 轴前端由 皮带轮压 轴力产生ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
的变形与切削力产生的变形方向相反。因此在主轴前端
由切削力和皮带轮压轴力共同产生变形yPQ为
yPQ=yP-yQ。
（5）
机床切削力P与皮带轮压轴力Q相关，令Q=酌P，主轴
刚度为KPQ，则有
形yP2+yP3组成：
3
2
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蓘 蓸 蔀 蓸 蔀 蓸 蔀 蓡 yP=P a 3EI
L +1 + 1 1+ a
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（1）
式中：P为主轴受切削力，N；a为主轴前端悬伸量，mm；L为
主轴两支承间的跨距，mm；I为主轴截面的平均惯性矩， mm4）；E 为 主 轴
基于有限元分析方法的数控机床主轴跨距优化设计
基于有限元分析方法的数控机床主轴跨距优化设计摘要：由于机床主轴刚度对机床的寿命和零件的加工质量等有重要的作用。
本文综合考虑主轴工作过程中受到的不同载荷的影响，建立主轴实验台的参数化有限元模型。
在ANSYS中对试验台中主轴刚度进行仿真分析，并通过实验验证了有限元模型的正确性。
在满足主轴静刚度的条件下，将零阶优化算法和总体搜索优化算法相结合,对主轴配置实验台跨距进行优化。
对于本实验台优化的结果是，跨距的最佳值为377.78mm。
关键字：机床主轴；跨距优化；参数化设计1 引言主轴组件作为机床的重要组成部分，其性能的好坏将直接影响机床的寿命和零件的加工质量。
在加工过程中，工件切削产生的切削力，弯矩以及传动过程产生的作用力和扭矩都将直接作用到主轴组件上。
统计结果表明，工件加工误差的30%～40%来自于主轴传动系统，严重时可以达到60%～80%[1]，因此在机床设计过程中主轴的设计是一项重要的工作[2,3]。
支承跨距对主轴的动静态特性影响较为复杂，并且合理的跨距对主轴的性能有很重要的作用，因此本文将对跨距优化方面进行研究，对主轴的设计提供依据。
王民[4]等人通过 ANSYS 分析软件，采用多次赋值建立了主轴有限元模型。
裴大明、杜官将[5,6]等人运用 APDL建立机床主轴的参数化有限元模型，只分析了单一轴前端作用力对跨距的影响。
陈世教[7]等人考虑到实际工况，并利用ANSYS建立主轴模型，通过软件的载荷工况模块对主轴进行了应力分析，但是没有对主轴跨距进行合理的优化。
本文将综合考虑主轴实际工况，在有限元软件中进行参数化建模，利用零阶算法和整体算法相结合，自动确定合理的跨距值，并结合实验对仿真结果进行了验证。
2主轴受力分析目前最常用的理论计算方法是利用公式（1）确定主轴的合理支承跨距L。
（1）其中将轴承刚度简化成固定值，对于公式[8]（1）有两种求解方法。
一种解法是对公式（1）求导并迭代计算出跨距[9]。
另外一种方法是利用线图求解，从公式（1）中提取出无量刚量，绘制出主轴最佳跨距计算线图。
数控改造机床床身有限元分析及结构优化设计
1292021年第8期工程设备与材料段 颖辽宁装备制造职业技术学院，辽宁 沈阳 110161摘 要：文章对经济型数控改造的床身进行了三维建模，通过ANSYS Workbench 软件对数控改造机床的床身结构进行了有限元分析，获得床身的前六阶固有频率及振型。
文章还对机床主轴箱内震源进行了计算分析，依据有限元分析结果，优化床身结构设计，在保证机床安全的基础上，对提高数控改造机床中的切削平稳性及新机床床身设计具有重要的意义。
关键词：数控改造机床；床身；三维建模；有限元分析；优化设计中图分类号：TG659文献标志码：A文章编号：2096-2789（2021）08-0129-03在机床的机械结构中，床身是重要的大型承载部件，起着支承机床其余零部件的作用[1]。
它的静动态性能的优劣关乎机床整体的综合性能，尤其对机床的加工精度、抗振性能等影响较大[2]。
在经济型数控机床改造中，为了降低改造成本，都会保留原有普通机床的床身，选择C6140数控改造机床的床身作为分析对象，并应用ANSYS Workbench 软件对C6140床身进行固有频率、振型分析。
另外，对床身整体结构进行重新改造设计，能保证数控改造机床的运动平稳性，优化切削加工性。
1 有限元建模关键技术1.1 模型建立与网格划分采用UG NX8.0软件对C6140床身创建三维模型。
对C6140车床床身进行必要的结构简化，简化后的床身模型如图1所示。
图1 机床床身简化模型运用UG NX8.0软件进行机床床身几何建模后，导入ANSYS Workbench 中进行网格划分。
采用网格尺寸控制方法，设置零件网格尺寸为30mm，划分后网格共有128284个节点、69677个单元。
C6140床身划分网格后的有限元模型如图2所示。
图2 划分网格后的床身模型（单位：mm）1.2 载荷与边界条件C6140车床床身材料选用HT200，材料属性如下：杨氏模量为200GPa，泊松比为0.3，密度为7850kg/m 3。
大型数控车床床身结构的有限元分析
ＳＳ Ｙ 求解提供了强大建模仿真平台， 能够更加方便 的建立
模 型 和 实 现 轻 松 无 缝 的 Ｃ Ｄ 软 件 联 接 。Ａ Ｓ ＳＷｏ — Ａ ＮＹ ｒ ｋ ｂｎｈ 有 可靠地 几何 模 型导 入能 力 、 大 的 网格处 理 能 ｅｃ 具 强
处 和最 大应 力 ， 对床 身进 行 改 进 ， 以提 高 床 身稳 定 性 。通
过模态分析可以判断振型是否影响加工精度 ， 还可 以对 机床床身相关 的部位进行优化设计 ， 降低床 身结构对机 床加 工精度 的影 响。本 文 以某机 床厂 生产 的 Ｃ ６６／ Ｋ １３ ８０ ００大型卧式数控车床为例 ， 通过将在 Ｓｌ Ｗｏ ｓ ｏｄ ｒ 软件中 ｉ ｋ
２ 床 身结构 有 限元分析
有限元分析 的步骤有 ： 建立模型 、 网格划分 、 单元选 择、 加载 、 计算 、 后处理 。
２ １建立模 型 ．
建立的床身实体模型导人到 Ａ Ｓ ＳＷｏ ｂｎｈ有限元分 Ｎ Ｙ ｒ ｅｃ ｋ
０ 引言 机床床身都是由薄厚不 同的板块组成的较为复杂 的 实体结构 ， 也是数控机床一个非常重要的结构大件 ， 的 它 刚度 、 振动频率等机械性 能关系到机床的加＿ 精度 、 ［ 加工 效率和工件表面粗糙度 ， 关系到机床的安全可靠性及使用 寿命。了解床身本身具有 的机械刚度即固有频率和振型， 对提高机床加工效率 和加工性能具有重要影 响。因此 ，
・
９・
大 型 数 控 车床 床 身 结构 的有 限元分 析
朱文 军
（ 兰州交通大学 机 电工程 学院 ， 甘肃 兰州 ３００ １ ０７） ７
摘要： 数控车床动静态特Ｉ对车床的加工性能有非常重要的影响。针对某机床厂生产的 Ｃ ６６Ａ ８０ 大型数控车床结 ｝ 生 Ｋ ｌ ／００ ３
数控车床床身结构的有限元分析与优化研究
数控车床床身结构的有限元分析与优化研究数控车床床身是数控机床中的核心部件，其结构的刚度、稳定性和精度直接影响着加工质量和效率。
因此，通过有限元分析和优化研究数控车床床身结构具有重要意义。
一、数控车床床身结构特点及有限元分析方法数控车床床身通常采用铸铁、焊接或组合结构。
铸铁床身具有刚度高、稳定性好、精度高等优点，但存在加工难度大、热稳定性差、易变形等缺点。
焊接床身则可以根据实际需求进行灵活设计，但需要考虑焊接质量、热应力等因素。
组合床身结构则将铸铁和焊接等多种工艺结合起来，具有综合性能优点，但设计难度较大。
有限元分析是一种常用的数学方法，可以预测和优化物体的结构、性能和功能。
在数控车床床身结构的有限元分析中，需要进行以下几个步骤：1. 对数控车床床身进行三维建模。
根据床身的具体结构类型，采用相应的软件进行建模，如ProE、SolidWorks等。
2. 对床身进行网格划分。
将床身分成若干个小单元，每个小单元内部的结构、性质可以视为均匀的。
网格划分后，可以得到一个由许多小单元组成的三维模型。
3. 新增荷载和边界条件。
根据实际使用中的情况，添加力、重力、切削力等荷载，以及支撑方式、约束条件等边界条件。
4. 进行有限元分析。
根据模型和荷载和边界条件，使用有限元分析软件（如ABAQUS、ANSYS等）进行模拟和分析。
5. 优化床身结构。
根据有限元分析的结果，对床身结构进行优化设计，以达到更好的性能、刚度和稳定性等效果。
二、数控车床床身结构优化研究1. 材料选择优化。
床身的材料决定了其刚度、稳定性和热稳定性等特性。
通过对不同材料的有限元分析，可以获得最佳的材料选择结果。
例如，采用高刚性材料可以提高床身的刚度和抗变形能力，采用高热稳定性材料可以减小热变形。
2. 结构优化设计。
床身结构的合理性对于加工精度和效率有着重要的影响。
通过有限元分析和优化设计，可以获得更加合理、稳定的结构。
例如，通过增加加强筋、改变床身截面形状等手段，可以提高床身的刚度和稳定性。
机床主轴的 SolidWorks建模与有限元分析
机床主轴的 SolidWorks建模与有限元分析刘丹萍;蒋占四;冯建国;胡志鹏【摘要】机床主轴是机床的核心部件之一，使用SolidWorks建立数控机床主轴的三维实体模型，利用SolidWorks与AN-SYS之间的数据交换，将其导入ANSYS中，弥补了ANSYS在进行复杂结构建模时的局限性。
建立了有限元分析模型，对机床主轴进行静力分析，研究机床在切削力载荷工况作用下的最大应力及变形；对机床主轴进行模态分析，分析主轴振型对加工精度的影响。
研究结果为进一步提高主轴精度以及转速等提供了依据。
【期刊名称】《机床与液压》【年(卷),期】2013(000)021【总页数】3页(P123-125)【关键词】机床主轴;静力分析;模态分析【作者】刘丹萍;蒋占四;冯建国;胡志鹏【作者单位】桂林电子科技大学机电工程学院，广西桂林541004;桂林电子科技大学机电工程学院，广西桂林541004;桂林机床股份有限公司，广西桂林541004;桂林电子科技大学机电工程学院，广西桂林541004【正文语种】中文【中图分类】工业技术20 1 3 年门月机床与液压Nov.2013Vol.41No.21第4 1 卷第 2 1 期 MA CHTNETOOL&HYDRAULICS DOI:10.3969/ j.issn.lOOl- 388 1.20 13.2 1.034机床主轴的 SolidWorks 建模与有限元分析刘丹萍l ，蒋占四 l ，冯建国 2 ，胡志鹏 l( I.桂林电子科技大学机电工程学院，广西桂林 541004;2桂林机床股份有限公司，广西桂林 541004)摘要：机床主轴是机床的核心部件之一，使用SolidWorks 建立数控机床主轴的三维实体模型，利用 SolidWorks 与ANS YS 之间的数据交换．将其导人 ANSYS 中，弥补了 ANSYS 在进行复杂结构建模时的局限性。
建立了有限元分析模型，对机床主轴迸行静力分析，研究机床在切削 jJ 载荷工况作用下的最大应力及变形；对机床主轴进行模态分析，分析主轴振型对加工精度的影响。
高刚度数控车床主轴有限元分析
高刚度数控车床主轴有限元分析王哲;尹志宏【摘要】基于对具有硬质车削功能的高刚度数控车床的主轴相应的高精度、高刚度要求,在对主轴分析研究的基础上,采用弹簧阻尼单元模拟轴承支承,建立主轴的有限元模型,进行静、动态特性分析,并对固有频率随轴承支承刚度的变化关系进行了模拟研究.计算结果表明,采用该方法分析高刚度数控车床主轴单元可以得到满意的结果,为工程设计提供了一定的参考.%With the function of hard turning,the high stiffness numerical control lathe requires spindle with high stiff-ness and high precision . In the paper, on the base of analysis of the high stiffness numerical control lathe spindle, the finite element dynamic analysis model of the spindle assembly was developed by taking the advantage of the spring-damper ele-ments to simulate the bearing supports for the analysis of static and dynamic characteristics, and discussed the relationship between the inherent frequency and the bearing's support stiffness. The calculation results showed that this method to analy-zing the high stiffness numerical control lathe spindle can obtain satisfactory results, and give a certain reference for the en-gineering design.【期刊名称】《新技术新工艺》【年(卷),期】2012(000)011【总页数】3页(P19-21)【关键词】HyperWorks;高刚度;车床;主轴;静态特性;固有频率【作者】王哲;尹志宏【作者单位】昆明理工大学机电工程学院,昆明呈贡650500;昆明理工大学机电工程学院,昆明呈贡650500【正文语种】中文【中图分类】TH16随着数控机床的发展，以车代磨的高刚度数控车床应运而生。
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关 键 词 ： 副 主轴 ； 有 限 元 分 析 ；Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ Ｗｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ ；静 态 分析 ；模 态 分 析
中图分类 号 ：Ｓ ７ ７ ６ ；Ｔ Ｇ ５ ０ ２
文献标识码 ：Ａ
文章编号 ：１ ０ ０ １ 一 Ｏ ０ ５ Ｘ （ ２ ０ １ ５ ）０ ３— ０ ０ ６ ３— ０ ４
ｔ ｈ ｅ ｅ ｘ ｐ ｒ ｅ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｅ ｎ ｄ ｐ ｏ ｒ ｔ ｉ ｏ ｎ ｄ ｉ ｓ ｐ ｌ ａ ｃ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｖ ｉ ｃ ｅ — ｓ ｐ ｉ ｎ ｄ ｌ ｅ ｗ ａ ｓ ｄ ｅ ｄ ｕ ｃ ｅ ｄ ｂ ｙ ｓ ｕ ｐ ｅ ｒ ｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｓ ｕ ｌ ｔ ｓ ｗｅ ｒ ｅ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｅ ｄ ｔ ｏ ｅ ｎ ・ ・ ｓ ｕ ｒ ｅ ｔ ｈ ａ ｔ ｒ ｉ ｇ ｉ ｄ ｉ ｔ ｙ ｃ ａ ｎ ｍｅ ｅ ｔ ｔ ｈ ｅ ｒ ｅ ｑ ｕ ｉ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｓ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｏ ｙ． Ｔ ｒ ｈ ｅ ｔ ｈ ｒ ｅ ｅ — ｄ ｉ ｍｅ ｎ ｓ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ｏ ｆ ｖ ｉ ｃ ｅ — ｓ ｐ ｉ ｎ ｄ ｌ ｅ ｗ ａ ｓ ｄ ｒ ａ ｗｎ ｂ ｙ ｔ ｈ ｅ Ｃ ｒ ｅ ｏ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗａ ｒ ｅ， ａ ｎ ｄ ｉ ｍｐ ｏ ｔｅ ｒ ｄ ｔ ｏ ＡＮ Ｓ ＹＳ Ｗｏ ｒ ｋ ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ ｓ ｏ ｆ ｔ ｗ ａ ｒ ｅ ｔ ｏ ｂ ｕ ｉ ｌ ｄ ｉ ｆ ｎ ｉ ｔ ｅ ｅ ｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ ｍｏ ｄ ｅ １ ．ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ｐ ｒ ｏ ｐ ｅ ｔ ｒ ｉ ｅ ｓ ｗｅ ｒ ｅ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｚ ｅ ｄ ．Ｓ ｔ ａ ｔ ｉ ｃ ｍｅ — ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ｐ ｒ ｏ ｐ ｅ ｒ ｔ ｉ ｅ ｓ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｃ ｅ ｒ ｔ ａ ｉ ｎ ｗ ｏ ｒ ｋ ｉ ｎ ｇ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｗｅ ｒ ｅ ｏ ｂ ｔ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ ｔ ｈ ｒ ｏ ｕ ｇ ｈ ｓ ｔ ａ ｔ ｉ ｃ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ ，ａ ｎ ｄ ｖ ｉ ｂ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｗ ｅ ｒ ｅ ｏ ｂ ｔ ａ ｉ ｎ ｅ ｄ
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摘
要 ：随着双主轴机床在制造 业中越 来越广泛地应用 ，将原有机床 升级改造 为双主轴机床 成 为一 项新的课题 。以沈
阳机床厂 生产的 Ｈ Ｔ Ｃ １ ６型数控车床 为例 ，进行 副主轴 的设 计与计算。用叠加法推导 出副主轴 的端部位 移计算表达 式 ，并计
算 出 结果 ，在 理 论 上 保 证 副 主 轴 的 刚度 满 足 要 求 。 利 用 Ｃ ｒ ｅ ｏ绘 图 软 件 绘 制 出副 主 轴 的 三 维 实 体 模 型 ， 导入 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ ｗｏ ｒ ｋ —
第３ ｌ卷 第 ３期
２ ０ １ ５年 ５月
森
林Байду номын сангаас
工
程
Ｖｏ Ｉ ． ３Ｉ Ｎｏ ． ３
Ｆ０ＲＥＳ Ｔ ＥＮＧＩ ＮＥＥＲＩ ＮＧ
Ｍａ ｙ ． ，２ ０ １ ５
数 控 车床 附加 主轴 设 计 及 有 限元分 析
杨 家 武 ，刘 梦 龙
（ 东北林业大学 机电工程学院 ，哈尔滨 １ ５ ０ ０ ４ ０ ）
ＣＮＣ Ｌａ ｔ ｈｅ Ａｄｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ Ｓ ｐ ｉ ｎｄ ｌ ｅ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ａ ｎ ｄ Ｆｉ ｎ ｉ ｔ ｅ Ｅｌ ｅ ｍｅ ｎ ｔ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ
Ｙａ ｎ ｇ Ｊ ｉ ａ ｗ ｕ， Ｌ ｉ ｕ Ｍｅ ｎ ｇ ｌ ｏ ｎ ｇ
ｂ ｅ ｎ ｃ ｈ软件 中建立模型 ，进行相关 的有 Ｆ ￣ － Ｊ Ｌ分析 。通过静 态分 析得到 副主轴在 特 定工况 条件下 的静 态力学特性 ，通过模 态
分 析 得 到 副主 轴 的 振 动 特 性 和 极 限转 速 。这 些 结果 验证 出副 主 轴 的 刚 度 和 强度 满 足 要 求 ，转 速 设 置 合 理 ，对 提 高副 主 轴 的