高速电主轴的有限元分析

合集下载

基于有限元分析方法的高速电主轴温度场仿真

基于有限元分析方法的高速电主轴温度场仿真
陈红蕾
（兰州工业研究院，肃兰州７０５）甘３００
摘要：高速切削加工是先进制造技术的主要发展方向之一，高速电主轴作为高速加工机床的核心部件，由于其主电动机的散热条件较差，承温升比较高，轴由此引起的热变形会降低机床的加工精度。本
ｄｏａｎｉｉｃｅｉｅｉｏｔｉｉｅｅｅｅｔ，ｏｖｏｅｃｕｎｔｍｉｓｄｓｒｔｚｄｎｔｈｅｆｎｔｌｍｎｓｌｅｔａｈｉ，ｗｈｃｃｎｍａＳｏａｎｔｅｌｍｉｅｅｔｃｎｄｕｔｖｉｙｅａ— ｉｈａｋｅＵｂｔｉｈｉｔｄｈａｏｃｉｔｑｕｔｏｎＡｎｉｏｌｎｈｅｅｔｍｐｅａｔｒｉｌｗｅｃｎｏａｎｔｅｔｍｐｒｔｒｉｌｉｔｉｉａｈｅｄ．Ｆｉｌｙ，ｉ．ｄｖａｓｖｉｇｔｓｅｒｕｅｆｅｄ，ａｂｔｉｈｅｅａｕｅｆｅｄｄｓｒｂｕｔｏｎｍｐｔａｔｗｅｎｅｎａｌｗｅｈｖｅｒａｉｅｈｅｆｅａｔｔｈｌｃｒｃｔａｎａｅｔｍｐｅａｕｒｉｌｄｐｕｏｒａｄｔｅｓｒｏｉｐｒｅｉｓｔｒａｅｌｚｄｔｏｒｃｓｏｔｅｅｅｔｉｉｙｍｉｘｌｅｒｔｅｆｅｄａｎｔｆｗｒｈｅｍａｕｅｔｍｏｖｔｈｅ — ｍａｔｔｈａａｔｒｓｉｃｏｒｎｔｈｅｒｓａｒｈ．ｌｓａｅｃｒｃｅｉｔｃａｃｄｉｇｏｔｅｅｃ．Ｋｅｒｓ：ｉｈ－ｐｅｄｍｏｏｒｚｄｓｎｄｌＦｉｔｌｍｅｔｍｅｈｏｄ，ｅｐｒｔｅｆｅｄｙｗｏｄＨｇｓｅｔｉｅｐｉｅ，ｎｉｅｅｅｎｔＴｍｅａｕｒｉｌ

高速电主轴动态特性的有限元分析

Ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄＭｏｔｏｒｉｚｅｄＳｐｉｎｄｌｅ
ＣＡ０ｙｕ．ＬＩＱｉａｎｇ
（１．ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＩｎｎｅｒＭｏｎｇｏｌｉａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｆＳｏｃｉｅｎｃｅａｎｄ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂａｏｔｏｕ０１４０１０，ＮｅｉＭｏｎｇｇｏｌ，Ｃｈｉｎａ；
２．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＥｃｏｎｏｍｉｃａｄｎＴｒａｄｅＣｏ．Ｌｔｄ．ｆＳｏｔｅｅｌＵｎｉｏｎＣｏ．Ｌｔｄ．ｆＢｏａｏｔｏｕＳｔｅｅｌ（Ｇｒｏｕｐ）Ｃｏｒｐ．
ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ．Ｆｕｈｅｎｎｏｒｅ，ｓｉｎｃｅｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｔｏｏｌｂｉｔｏｒｆｍｏｔｏｉｚｒｅｄｓｐｉｎｄｌｅｉｓｄｉｆｆｅｒｅｎｔ，ｔｈｅｈａｍｏｒｎｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅａ —
第３９卷第３期
２０１３年６月
包
钢
科
技
Ｖｏ１．３９，Ｎｏ．３
ＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆＢａｏｔｏｕＳｔｅｅｌ

高速电主轴动态特性的有限元分析与振动测试

由式（）得电主轴的临界转速，表２１可见。
表２主轴的临界转速
势项及平滑处理，弱干扰信号，能从振动信号中得消才
到需要的信息，以便解决振动问题或对振动问题作出
同密度的轴材料，为主轴的附加分布质量，效到主作等轴单元上。根轴采用ＡＮＳ整ＹＳ中Ｓｌ４单元来模拟，ｏｉ５ｄ该单元主要用于三维实体结构中，为特性，并计算出临界转速。通过振动测试实验，到电主轴在不同转速下的振动量．对采集到的信得并
号进行相关性与自振特性的分析。分析结果表明：主轴的最高工作转速远离临界转速，电能有效避免共振现象的发生。关键词：主轴电模态分析振动测试ＡＳＳＮＹ
电主轴振动测试实验设备由
ＤＨ５２９２信号测试分析系统及加
速度传感器组成，加速度传感器
的安装如图３所示。图中３１、１１分别为测、０ｌ、２
试仪ＤＨ５２的通道号，其中加９２速度传感器的相关参数见表３。
态有限元模型时，对电主轴进行简化。主轴中的前需电后轴承为角接触轴承，可将其简化为只有径向刚度的弹性支承，即径向的弹簧压缩单元，在ＡＮＳＹＳ中用Ｃｍｂｎｌｏｉ４弹簧一尼单元来模拟。电机的转子用等效阻

高速电主轴热态性能的有限元分析及温升控制

ＦｉｉｅＥｌｍｅｎｔｅｎｔＡｎａｙｉｆＴｈｒａｌｓｓｏｅｍｌＣｈａａｔｒｓｉｓａｄＴｅｐｅａｕｒｓｎｔｏｏｒｒｃｅｉｔｃｎｍｒｔｅＲｉｅＣｏｒｌｆＨｉｈＳｅｏｏｉｅｐｉｄｌｇｐｅｄＭｔｒｚｄＳｎｅＷＥＮＨｕｉｘｎａ — ｉｇ，ＷＡＮＧｅ— ａＭｉｙｎ
Ａｂｓｒｃｔａｔ：Ａｃｏｄｎｏｔｎｔｒｌｏｏｈｒｃｅｉｔｃｆｈｇｐｅｄｍｏｏｉｅｐｉｄｅｈｅｔｓｕｃｓａｅｃｒｉｇｔｈｅｉｅｎａｔｒｃａａｔｒｓｉｓｏｉｈｓｅｔｒｚｄｓｎｌ，ａｏｒｅｒｍ
ｃｏｎｔｏ１ｒ
Ｏ引言
电主轴作为一种新兴的机床主轴结构，采用内
态特性的研究与电主轴温升的控制是电主轴需要解
决的关键问题之一。
装式电机直接驱动形式，和传统的主传动方式相比，
具有结构紧凑、动链短、械效率高、传机噪声低、动振小和回转精度高等优点。电主轴的应用不仅大大提高了加工效率和加工质量，降低了产品成本，且可并以实现薄壁零件和难加工材料的精密加工。高速电主轴是高速数控机床的核心部件，机对床的加工精度和效率影响很大，其内装式电机的但结构，得高速电主轴的发热量大，热条件差，使散进而直接影响到主轴的精度。因此，高速电主轴热对

基于ANSYS APDL语言的高速主轴参数化有限元分析方法

基于ANSYS APDL语言的高速主轴参数化有限元分析方法孙惠娟;殷国富;尹洋;刘新玲【摘要】将参数化设计与有限元分析相结合,实现复杂模型的结构参数调整、自动生成实体模型并完成有限元分析对于优化产品结构有重要的作用.针对高速主轴进行参数化有限元分析的技术问题,论述了运用ANSYS参数化设计语言APDL进行高速主轴性能静态分析、模态分析和谐响应分析全过程的实现方法.应用实例表明,该方法能有效地预估零件的结构特性,可为结构优化设计提供依据.%Based on the idea of the structure parametric design method in finite element analysis ( FEA), the complicated FEA model can be created by adjusting geometric parameters and the process of FEA is automatically executed, which is important for optimizing the structure of product. Aiming the technical problem of high-speed spindle for parametric finite element analysis, the paper discusses the implementation of the whole process of high-speed spindle static analysis, modal analysis and harmonic response analysis using ANSYS Parametric Design Language (APDL). Application example shows that the method can effectively estimate the structural characteristics of the parts and can provide the basis for structural optimization and design.【期刊名称】《制造技术与机床》【年(卷),期】2011(000)010【总页数】5页(P53-57)【关键词】APDL;高速主轴;参数化设计;有限元分析【作者】孙惠娟;殷国富;尹洋;刘新玲【作者单位】四川大学制造科学与工程学院,四川成都610065;;四川大学制造科学与工程学院,四川成都610065;;四川大学制造科学与工程学院,四川成都610065;西华大学机械工程与自动化学院,四川成都610039;潍坊职业学院,山东潍坊261041【正文语种】中文【中图分类】TP391ANSYS是一种应用广泛的通用有限元工程分析软件，它对零件进行有限元分析的过程包括:建立分析模型并施加边界条件、求解计算和结果分析。

轴的有限元分析范文

轴的有限元分析范文有限元分析是一种数值计算方法，常用于虚拟设计与仿真领域，对于轴的有限元分析，主要用于研究轴的结构与性能，同时也包括轴的强度、刚度、稳定性等方面的分析。

轴是机械设备中的重要组成部分，承担传动力、转矩或负载。

在许多工程领域中，例如汽车、船舶、飞机、机械制造等，轴的设计与分析至关重要。

有限元分析可以为轴的设计提供大量的有关应力、应变、变形等信息，从而优化轴的设计，并确保其安全可靠的工作。

在进行轴的有限元分析时，首先需要将轴的几何模型离散化为有限数量的单元，如线单元或曲面单元。

然后，在每个单元中，根据轴材料的性质和受力情况，建立适当的有限元模型。

在建立有限元模型时，需要确定单元的类型、单元的尺寸、单元的材料特性、单元之间的连接关系等。

另外，轴的边界条件也需要在有限元模型中考虑。

例如，如果轴的两端有固定止动装置，则可以将这些固定点设为边界条件。

根据轴的应力分布情况，也可以在适当的位置施加力或约束。

这些边界条件对于准确模拟轴的实际工况非常重要。

有限元分析的核心是解方程组，根据有限元模型和边界条件，可以得到轴的应力、应变、变形等参数的数值解。

这些解可以帮助工程师了解轴的强度、刚度、稳定性等方面的问题，并进行必要的优化设计。

此外，有限元分析还可以考虑轴的材料非线性、温度效应、接触问题等。

轴的材料非线性可以通过引入材料本构模型来进行描述，温度效应可以通过考虑热应力和热变形来分析，接触问题可以通过考虑轴与其他部件之间的摩擦、干涉等来模拟。

总的来说，轴的有限元分析是一项复杂的工程计算工作，需要工程师在建立有限元模型、选择加载条件、设置边界条件等方面具备专业的知识和经验。

通过轴的有限元分析，可以为轴的设计与优化提供可靠的工程依据，提高轴的性能和可靠性。

高速磨削电主轴热-结构耦合有限元分析与仿真

关键词：高速磨削电主轴；热一结构耦合；有限元；热变形；热补偿体系中图分类号：ＴＨ１６；ＴＨ１６１文献标识码：Ａ文章编号：１００１ — ３９９７（２０１６）１２ — ０１４６ — ０４
ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＡｎａｌｙｓｉｓｏｎｔｈｅＴｈｅｒｍｏ－ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＣｏｕｐｌｉｎｇＰｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆＨｉｇｈＳｐｅｅｄＧｒｉｎｄｉｎｇＭｏｔｏｒｉｚｅｄＳｐｉｎｄｌｅ
ＷＡＮＧＰｅｎｇ，ＬＩＷｅｎ－ｂｉｎ
（ＴａｉｙｕａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＩｎｓｉｔｉｔｕｔｉｏｎｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｈａｎｘｉＴａｉｙｕａｎ０３００２４，Ｃｈｉｎａ）
ＣｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ
１引言
高速加工技术作为当代先进制造技术中的一个主要发展方向，以高速度、高精度为主要特征，是继数控加工技术之后，传统切削加工技术中的有一次革命性的飞跃。为满足高速磨削加工的需求，高速磨削电主轴得到逐步应用并成为了高速磨削加工中的核心部件。作为核心部件，电主轴的加工稳定性和加工精度日益受到加工制造业的关注ｉ “ 。电主轴处在高速加工过程时，电机和轴承会产生大量热量，引起主轴的热变形，如果不能有效的控制主轴的发热变形，将严重影响高速磨削机床的加工精度和表面质量。因此，磨削电主轴的热结构耦合分析，是保证机床加工精度和表面质量的重要理论基础１２］。

高速电主轴动力学性能有限元分析.

高速电主轴动力学性能有限元分析摘要：文章通过建立主轴-轴承的分析模型，采用法对电主轴的振动特性进行模拟，为优化主轴的结构参数设计提供了有益的参考数据。

关键词：；；；；0引言的分析，是设计中的关键，具备良好的电主轴应该满足“高速度、高刚度、高精度”的三高特性的要求。

的分析就是要通过计算分析找出电主轴的结构设计参数对电主轴的影响，从而优化结构设计，改善动态性能。

是评价的一个重要指标，主要是指电主轴的临界转速和主。

当轴在临界转速或其他附近运转时，将引起剧烈的振动，严重时造成轴、轴承以及轴上的零件破坏，为了保证电主轴安全运行和正常工作，在机械设计时，应使电主轴的工作转速离开各阶临界转速一定的范围。

一般要求是，对工作转速低于其一阶临界转速的轴。

机械系统运动部件的研究主要是通过对运动部件进行模态分析来实现它主要研究结构或部件的振动特性（固有频率和主），为动力学分析提供基本的分析数据。

通过分析可以判断出机床转动部件的转速是否合理，结构中有无薄弱环节，并可对其进行优化设计，使零部件满足机床对加工质量和加工精度的要求。

1分析的优势目前轴承—主轴系统常用的动力分析方法之一法，虽占用储存空间大，计算速度慢，但却有较高的计算精度。

法的基本思想是将求解域看成是由许多称为的小的互连子域组成。

对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件）的解，这个解不是准确解而是近似解。

由于大多数实际问题难以得到准确解，而法不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段软件，是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型分析系统。

其功能强大、适用领域非常广泛。

除了可进行静力分析之外，还提供了强大的动力分析工具，可以很方便地进行模态分析。

在此采用分析软件，对研发的加工中心电主轴进行振动模态分析，以检验其设计的合理性。

2轴承-主轴系统模型的建立本文选用的电主轴（主轴参数见表1）是一种阶梯轴，具有中空，多支承的特点，如图1所示，同时，主轴承受多种载荷，主轴前端承受切削力和弯矩，内装电机转子传递给主轴的转矩等主轴在三组轴承支承下高速旋转。

基于有限元方法的电主轴模态分析

ＩＩ－－： … 一一：（ＢＫ．ｚ：Ｉ５Ｉ２一：１：ｍ ∞ ：一ｏ）：
Ｉ — ＨＫ２２ … Ｋ — ＭＫｍ１＾ｍ一ＣＯ缈ｌ
将此式展开可得 ∞ 的ｎ次方程，形式如下：
基金项目：广西科技厅科技攻关项目（桂科攻０９０２），高等学校特色专业建设项目（ＳＺ９）９２０— ６ＴＩ０８作者简介：粱双翼（９８１７～），，西柳州人，师，工学硕士，主要从事ＣＤＣ女广讲Ａ，Ａ方面的研究。Ｅ第３卷第１２１－（【７４期０２１下）５】
每一阶模态都具有特定的固有频率和模态振型等模态参数。模态分析目的就是识别出系统的模态
）口）以） …＋ｌ）＝０（）ｌ＋２＋一＋＋６
该方程为系统特征方程，求解该方程可求得ｎ个 ∞ 根，为特征值，开方后可得到１个固有频率，１＿按照从小到大的次序称为第１、第２阶、 …… 阶第１阶固有频率。１
务Ｉ匐似
是Ｈ０５Ｌ龙门数控铣床电主轴的转子轴结构简图。转子轴在前后各两个轴承的支承下高速旋转，轴
【】０［＞ｏＣ＝，＿＝，简化后的运动方程Ｑ
在对主轴单元进行有限元分析时不必考虑这两者。
［位＋Ｋ｛＝０Ｍ】｝［】）｛ｘ｝
股穗日翔：２１－０－１０１８２
（）２
设系统各质量块按照同频率和同相位作间谐

基于ANYSY的高速加工中心主轴箱有限元分析及优化

７０２，Ｃｉａ１０１ｈｎ）
ＡｂｔａｔＢａｅｎｅｐｅｉｎｅａｄｔｅｕｓｏａｌｅｈｏｓｏｒｄｆｅｅｆｒｓｆｆｂｉｅｎｆｒｅｓｒｅ：ｓｄｏｘｒｅｃｎｈｅｏｆｃｍｐａｂｅｍｔｄ，ｆｕｉｆｒｎｔｏｍｏａｒｃｒｉｏｃ－ｒｍｅｔｈａｓｏｃｏｅｓｆｈｇｓｄｖｅｔｃｌｍａｈｎｇｃｎｅｅｄｓｇｅｎｅｄｔｋｍｄｌｏｉｈ。ｐｅｒｉａｃｉｉｅｔｒａｅｉｎｄ．Ｉｔｏｕｉｇａｑａｉｙｉｔｔｅｎｒｎｒｄｃｎｕｌｐｏｎｏｔｓｍｕｌｔｈｅｓｔａｏａｉｎｏｏｌｔｍｉｅｅｅｅｔａａｙｓｓｂｃｕｅｔｅｏｆｅｆｔｅｔｏｏａｉｎｉｎｄ－ｉａｅｔｐａｉｌｃｔｏｆｔｏｉｉｆｔｌｍｎｎｌｉ，ｅａｓｈｆｓｔｏｈｏｌｌｃｔｏｓｉｉｌｐｎ
ｉｉｅｅｅｎｎｌｉ．Ｂｙｃｍｐａｉｇｈｔｆｎｓｆｍｕｌｉｎｔｏｋｒｉｆｒｅｅｔｓｎｄｅｂｘｉａｉｍ，ｆｎｔｌｍｅｔａａｙｓｓｏｒｎ，ｔｅｓｉｆｅｓｏｔ－ｅｗｒｅｏｃｍｎｐｉｌｏｓｍｘｍｕｎ
ｄｆｒｔｏｆｈａｔｃｓｍｏｅｖｉｉＣａｃａｉｇｔｅｓｉｆｅｓｉｌｄｒｃｉｎｆｔｅｓｎｄｅｂｏｙＡＮＳｅｏｍａｉｎｏｅｄｓｏｋｉｒｖｄ．ｌｕｌｔｈｔｆｎｓｎａｌｉｅｔｏｓｏｈｐｉｌｘｂｎＹＳ

电主轴论文：电主轴热-结构耦合 ANSYS 有限元分析

电主轴论文：电主轴热—结构耦合特性分析【中文摘要】电主轴是机械加工机床的核心部件,电主轴技术水平的高低直接决定着机械制造业水平的高低,企业效率的提高至关重要的因素是机床转速的高速化,机床转速的提高就意味着电主轴转速的提高,随着转速的提高主轴发热量增大使变形严重主轴轴承烧毁或报废等,研究表明发热量增大与主轴轴承的预紧力和内外圈装配过盈量有很大关系。

首先根据电主轴机械性能指标建立主轴模型,由高速电主轴高速情况下的边界条件对电主轴的发热量和热变形进行计算给出合理的发热量和热变形条件,并对主轴的负荷分布进行分析,为后续有限元分析的边界条件和载荷施加做准备,其次,结合有关理论对电主轴的温度场、热变形、预紧力和内外圈配合过盈量进行计算并得出相应的数据。

最后利用有限元分析软件ANSYS对主轴模型进行有限元热分析、热-结构耦合分析,分析中将预紧力和接触热阻等作为边界条件施加到主轴模型中,得出电主轴的热分布、热梯度和热变形图,由得出的分析结果反推出最佳预紧力与配合过盈量。

并对分析得出的结果与前面的计算进行对比总结。

通过研究最终得出电主轴的其最佳预紧力和内外圈装配过盈量,使主轴的发热量控制在最小,变形量也控制在主轴运转所需的精度范围。

【英文摘要】Motorized spindle is the core component of mechanical processing machine, electric spindle technical level directly decides the mechanical manufacturing level, theenterprise to enhance the efficiency of the crucial factor is high speed machine tool, the machine speed increase means electric spindle speed increase, with the speed increase calorific value increases make deformation serious spindle spindle bearing burned or scrap, research show that increase with the calorific value of the spindle bearing pre...【关键词】电主轴热-结构耦合 ANSYS 有限元分析【英文关键词】Motorized spindle Thermo-Structure Coupling ANSYS Finite Element Analysis【索购全文】联系Q1：138113721 Q2：139938848【目录】电主轴热—结构耦合特性分析摘要2-3ABSTRACT3-4第1章绪论7-13 1.1 研究背景7-8 1.2 研究现状8-11 1.3 课题的研究内容和对象11-13第2章电主轴构造及特性13-19 2.1 电主轴系统13-16 2.1.1 电主轴的结构和工作原理13 2.1.2 电主轴的分类及其特点13-16 2.2 电主轴的支承方式16-18 2.3 电主轴的主要应用性能指标18 2.4 本章小结18-19第3章电主轴组件选配及建模19-35 3.1 电主轴组件选配及意义19-20 3.2 电主轴的受力分析20-28 3.2.1 角接触轴承单元选配22-25 3.2.2 圆柱滚子轴承单元选配25-26 3.2.3 钢制轴承与陶瓷滚子轴承的比较26-27 3.2.4 高速刀具系统的选配27-28 3.3 电主轴的制造装配工艺28-30 3.3.1 电主轴的辅助设计技术29 3.3.2 电主轴的制造技术29-30 3.3.3 高速主轴电机的制造技术30 3.4 电主轴的优化设计及分析30-32 3.4.1 电主轴的轴向优化设计分析30-31 3.4.2 电主轴的径向优化设计分析31-32 3.5 电主轴的机械设计图32-33 3.6 本章小结33-35第4章电主轴的温度场及热变形的计算35-71 4.1 电主轴热传导35-41 4.1.2 热传导方程36-38 4.1.3 温度场边界条件38-40 4.1.4 温度场的求解40-41 4.2 电主轴轴承发热量的计算41-43 4.3 电主轴轴承支承刚度的计算43-44 4.4 主轴轴承预紧力及内外圈配合过盈量的计算44-48 4.5 电主轴热变形理论计算48-59 4.5.1 电主轴三维热传导问题的级数解51-52 4.5.2 电主轴的热传导特点和数学描述52-59 4.6 最佳热配合理论及研究59-69 4.6.1 滚动体与内外圈游隙量变化的理论分布计算60-66 4.6.2 热变形对轴承游隙影响的理论分布与计算66-67 4.6.3 热变形对主轴轴承配合过盈量影响的理论分析与计算67-69 4.7 本章小结69-71第5章电主轴的热-结构耦合分析71-91 5.1 电主轴ANSYS 热-结构耦合分析的原理71-73 5.2 电主轴热-结构耦合分析的基本步骤73-76 5.2.1 电主轴分析模型的建立73 5.2.2 分析的边界条件的建立及属性选择73-75 5.2.3 分析模型的处理75-76 5.3 电主轴的热分析76-81 5.4 电主轴的热-结构耦合分析81-89 5.4.1 热-结构偶和分析结果81-82 5.4.2 综合面计算和本章的分析所得的数据关系82-89 5.5 本章小结89-91第6章结论与展望91-93 6.1 结论91 6.2 展望91-93参考文献93-97致谢97-98攻读硕士学位期间的研究成果98。

高速机床主轴部件有限元分析

收稿日期:2007211204基金项目:国家自然科学基金资助项目(50475052)・作者简介:张耀满(1972-),男,辽宁沈阳人,东北大学讲师,博士;刘永贤(1945-),男,辽宁台安人,东北大学教授,博士生导师・第29卷第10期2008年10月东北大学学报(自然科学版)Journal of Northeastern University (Natural Science )Vol 129,No.10Oct.　2008高速机床主轴部件有限元分析张耀满1,刘春时2,谢志坤2,刘永贤1(1.东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳　110004; 2.沈阳机床(集团)有限责任公司,辽宁沈阳　110142)摘要:在对主轴部件分析模型进行研究的基础上,采用弹簧阻尼单元模拟轴承支承的方法,建立了主轴部件动力学分析有限元模型・分别建立了采用两组和三组弹簧阻尼单元,且弹簧阻尼单元沿圆周方向以不同角度布置的机床主轴有限元模型,分析了不同支承情况及弹簧阻尼不同布置角度对主轴模态分析的影响・在对比分析的基础上,确定了合理的分析模型・以沈阳第一机床厂研制和开发的CHH6125高速数控机床主轴为对象,对主轴部件进行有限元模态分析和谐响应分析,并将其和机床试验的结果进行对比,验证了有限元分析模型的正确性・关　键　词:数控机床;高速机床;主轴部件;有限元分析;动态性能中图分类号:TG 502.14 文献标识码:A 文章编号:100523026(2008)1021474204FEA on the Spindle Assembly of High Speed Machine ToolZHA N G Y ao 2m an 1,L IU Chun 2shi 2,X I E Zhi 2kun 2,L IU Yong 2xian1(1.School of Mechanical Engineering &Automation ,Northeastern University ,Shenyang 110004,China ; 2.Shenyang Machine Tool (Group )Co.Ltd.,Shenyang 110142,China.Corres pondent :ZHAN G Y ao 2man ,E 2mail :zhymlxl @ )Abstract :The finite element dynamic analysis model of the spindle assembly was developed by taking the advantage of the spring 2damper elements to simulate the bearing supports.The FEA model were developed first by introducing 2or 3groups of circumferential spring 2damper elements which were arranged at different angle around the spindle ,then the effect of different supporting conditions and different arrange angles on the modal analysis of the spindle assembly were comparatively discussed to select the most rational FEA modal.The modal analysis and harmonic analysis were both made to confirm the dynamic characteristics of spindle assembly of CHH6125high 2speed NC machine tool developed and manufactured by Shenyang No.1Plant of Machine Tools ,and the results were compared with the testing ones.The correctness of the FEA model is available to the dynamic performance of the spindle assembly.K ey w ords :NC machine tool ,high 2speed machine tool ,spindle assembly ,FEA ,dynamic performance数控机床的高速化是其主要发展趋势之一・主轴部件是数控机床最为关键的部件,其动、静态性能对机床的最终加工性能有非常重要的影响[1]・随着机床速度和精度的提高,对其关键部件的静动态性能提出了更高的设计和加工制造要求・因此,国内外研究机构和科研院所对主轴部件的动、静态性能展开了广泛、深入的研究[2-4]・数控机床的主轴结构抵抗受迫振动一般都没有问题,因此对主轴部件的研究主要是确定不产生切削自振的条件・由于切削自振频率往往接近主轴部件横向振动的低阶固有频率,所以可以认为主轴部件的低阶横向振动模态是决定其切削自振的主要模态・在分析主轴部件时,主轴前端切削部位激振点的动柔度即反映了主轴部件的抵抗切削自振的能力・研究表明:对于中型车床在不同频率的动载荷作用下,各个部件反映在刀具与工件切削处的综合位移中主轴部件所占比例最大・因此,通过对高速数控机床的主轴部件的仿真分析方法进行研究,在产品设计阶段,分析主轴部件的动静态性能,对于提高机床产品的设计水平具有非常重要的理论和现实意义・以沈阳第一机床厂生产的某高速数控车床为研究对象,研究了采用弹簧阻尼单元来模拟轴承支承的有限元模型的建立方法,分别进行了模态分析和谐响应分析,得到了主轴和主轴部件的动态特性・最后结合机床性能试验探讨并验证了边界条件参数的合理选择・通过有限元分析和机床性能试验,验证了所采用的有限元分析方法的可行性,为以后进行类似的主轴部件有限元分析打下了基础・1　高速机床主轴结构以沈阳第一机床厂生产的CHH6125机床主轴为研究对象・该机床采用对置双主轴结构,两主轴均采用内装式电主轴,并同时配备了伺服动力刀架,是具有钻、铣削功能的高速、高效车削中心[1]・该机床第一主轴的结构如图1所示・图1　机床第一主轴结构Fig.1　Construction of the first spindle assembly主轴轴承采用NSK 高精密陶瓷球轴承・主轴前支承采用内锥孔双圆柱滚子轴承来承受径向力,提高机床主轴径向刚度和主轴回转精度,采用背靠背安装的角接触球轴承来主要承受轴向力,降低主轴轴向窜动量,提高轴向刚度;后支承采用内锥孔的双圆柱滚子轴承,起到径向支承作用・2　有限元模型的建立在建立有限元模型的过程中,采用弹簧-阻尼单元模拟轴承的弹性支承,每个支承采用4个沿圆周方向均匀分布的弹簧-阻尼单元来模拟[5-6]・分别建立了使用两组弹簧和三组弹簧来模拟主轴支承情况的模型,如图2所示・三组弹簧模型在两组弹簧模型的基础上,增加了单独对角接触轴承的模拟,位置取为两个角接触轴承之间的中截面处,用以考察角接触球轴承对主轴横向振动特性的影响・图2　主轴支承弹簧-阻尼模型Fig.2　Model of spring 2damper elements ofspindle support(a )—两组弹簧支承;(b )—三组弹簧支承・由于主轴轴承的轴向刚度很大,阻尼对横向振动特性影响很小,所以在建立有限元模型中只考虑径向刚度影响,利用4个沿周向均布的弹簧-阻尼单元来模拟轴承支承・采用两组弹簧阻尼单元模型的前支承处弹簧刚度为0114GN/m ,后支承的弹簧刚度为0111GN/m ;采用三组弹簧阻尼单元模型的前支承处弹簧刚度为0114GN/m ,中间支承刚度为0105GN/m ,后支承处弹簧刚度为0111GN/m ・主轴零件采用S olid 92单元・主轴轴承支承部分模型是在每个圆周截面上沿圆周均布4个弹簧阻尼单元,弹簧单元的长度按照各处轴承的内外圈半径确定・外圈节点利用关键点(key points )建立,内圈节点采用硬点(hard PT )建立,同时保证弹簧单元的划分数目为1・所有弹簧阻尼单元外部4个节点限制全部自由度,前端内锥孔轴承支承内部4个节点限制轴向自由度・三组弹簧阻尼单元情况下的第一主轴有限元模型如图3所示・图3　三组弹簧阻尼单元有限元模型Fig.3　FE A model of 32group spring 2damper elements5741第10期张耀满等:高速机床主轴部件有限元分析3　有限元分析结果及其说明3.1　主轴零件模态分析结果分别采用两组弹簧-阻尼单元和三组弹簧-阻尼单元对主轴零件进行分析・另外,为了研究每个支承处弹簧-阻尼单元沿圆周方向布置角度对主轴固有特性的影响,对弹簧-阻尼单元在圆周方向相对错开一定角度α的情况进行了分析・主轴模态分析的结果如图4所示・由图4a可知采用两组或三组弹簧-阻尼单元支承主轴,对于模态分析来说影响不大,分析时可以采用任何一种形式・在后续的计算过程中,采用两组弹簧阻尼单元来进行分析・图4b为弹簧-阻尼单元沿圆周方向变化后的计算结果・以α=0°作为参考,对相对于基准情况下逆时针方向旋转15°,30°和45°的情况进行了分析・由图4b可以看出,弹簧-阻尼单元沿圆周方向的布置角度不同,其计算结果差异很小・图4　主轴模态分析计算结果Fig.4　Calculation re sult of modal analysis of spindle assembly(a)—两、三组支承情况;(b)—不同角度布置情况・3.2　主轴部件分析计算结果3.2.1　模态分析结果在进行完主轴零件的有限元分析后,对主轴部件进行了有限元分析・通过上面对主轴零件的分析,可知采用两组弹簧阻尼单元和三组弹簧阻尼单元的分析,以及弹簧阻尼单元沿圆周方向角度不同的情况的分析,发现计算结果在固有频率计算结果方面差异不大・因此选择采用两组弹簧阻尼单元来分别模拟主轴部件的前后支承・图5是不计油缸、卡盘和皮带轮,两组弹簧情况下,机床主轴组件的模态分析结果图片・图5　第一主轴部件有限元分析结果Fig.5　FE A re sult of the first spindle assembly通过计算可知,主轴部件的1～6阶固有频率分别为0,300,301,326,330,513Hz・分析计算表明:每种情况一阶固有频率都为零,表现为主轴的转动;相邻的两阶频率相近,视为重根,模态相互独立且正交・3.2.2　谐响应分析结果在主轴前端卡盘施加力为918N,在150～550Hz频率范围,采用stepped方式,分为50步,施力点的径向响应位移频率曲线如图6所示・图6　第一主轴部件谐响应分析结果Fig.6　Harmonic frequency re sponse analysis of thefirst spindle assembly4　机床性能试验与分析试验使用B&K振动测试设备进行测量・在进行试验的过程中,是在主轴的前端装夹一圆形工件70mm×100mm,并且在其端部安装阻抗头来实现测量・激振力为10N,测量频率范围为20～10kHz・试验中采用稳态正弦激振,激振信号由正弦信号发生器施加一个频率可控的正弦激振力・在稳态下测定响应和激振力的幅值比和相位差・6741东北大学学报(自然科学版) 第29卷为测得整个频率范围内的频率响应,需在多个频率处进行系统稳态试验・图7为第一主轴激振结果,0dB 时振动速度为0101mm/s・图7　第一主轴x 方向激振振动速度-频率曲线Fig.7　Vibration te sting re sult in x direction由于是在整机装配后激励主轴前端,因此机床整机的固有特性都将在其振动结果中有所体现・测量的结果可以理解为机床的各阶模态在测量点的综合反映[7-8]・从第一主轴试验结果可知:一阶固有频率为287Hz ,机械导纳为01232mm/(s ・N -1),动柔度为01128μm/N ;二阶固有频率为116kHz ,机械导纳为016839mm/(s ・N -1),动柔度为010681μm/N ・将该结果和有限元分析的结果进行对比,误差比较小,能够满足工程设计的基本要求・5　结语有限元分析结果和试验结果吻合较好,说明有限元模型可以应用于类似主轴部件的分析・可以在轴承支承处用沿圆周方向均匀布置的弹簧阻尼单元来实现对轴承支承的模拟・弹簧阻尼单元沿圆周方向角度的变化对分析结果影响很小・为了进一步提高有限元模型的精度,建议通过试验对关键参数进行识别,并对有限元模型做必要的改进・参考文献:[1]Zhang Y M ,Lin X L ,Wang X D ,et al .The study on the dynamic characteristic of high speed machine tool and experiment validate[J ].A dvancesi nM aterialsM anuf act uri ng Science and Technology ,2004,471/472:571-576.[2]Krulewich AK.Temperature integrationmodel andmeasurement point selection for thermally induced machine tool errors[J ].Mechat ronics ,1998(8):395-412.[3]Lin C W ,Tu J F ,Kamman J.An integrated thermo 2mechanical 2dynamic modal to characterize motorized machine tool spindlesduringveryhighspeedrotation [J ].International Journal of M achi ne Tool &M anuf act uri ng ,2003,43:1035-1050.[4]Ramesh R ,Mannan M A ,Poo A N.Support vector machines model for classification of thermal error in machine tools[J ].A dvanced M anuf act uri ng Technology ,2002,20:114-120.[5]K im S M ,Lee S K ,Lee K J.Effect of bearing surroundings on the high 2speed spindle 2bearing compliance [J ].A dvancedM anuf act uri ng Technology ,2002,19:551-557.[6]K im S M ,Lee K J ,Lee S K ,Effect of bearing support structure on the high 2speed spindle bearing compliance [J ].International Journal of M achi ne Tool &M anuf act uri ng ,2002,42:365-373.[7]Schmitz T ,Davies M ,Dutterer B ,et al .The application of high 2speed CNC machining to prototype production [J ].International Journal of M achi ne Tools &M anuf act ure ,2001,41:1209-1228.[8]Yang J P ,Chen S X.Vibration predictions and verifications of disk drive spindle system with ball bearings [J ].Com putersand S t ruct ures ,2002,80:1409-1418.7741第10期张耀满等:高速机床主轴部件有限元分析。

基于ANSYS APDL语言的高速主轴参数化有限元分析方法

ｐｉａｄＦＡｍｏｅｃｎｂｒａｄｂｄｓｎｅｍｔｃｐｒｍｅｒａｄｔｅｐｏｅｓｏＥｕｏｌｔＥｄｌａｅｃｅｔｙａｊｔｇｇｏｅｒａａｔｓｎｈｒｃｓｆＡｉａｔ— ｃｅｅｕｉｉｅＦｓ
ＤｉａＲｅｈｅｎｄｓ『设计与研究ｓｎｅｃｇａ
基于ＡＮＳＳＡＰＬ语言的高速主轴ＹＤ参数化有限元分析方法
孙惠娟① 殷国富① 尹洋① 刘新玲③ ②
（四川大学制造科学与工程学院， ① 四川成都６０６；１０５ ② 西华大学机械工程与自动化学院，四川成都６０３；１０９（坊职业学院，潍山东潍坊２１４）６０１
中图分类号：Ｐ９Ｔ３１
参数化设计
有限元分析
文献标识码：Ａ
ＰｒｍｅｒＥｏｉｈｓｅｄｓｉｄｅｂｓｄｏａａｔｉＦＡｆｈｇ — ｐｅｐｎｌａｅｎＡＰＤＬＩｎｕｇｎＡＮＳＹＳｃｇａｅｉａ
摘要：参数化设计与有限元分析相结合，将实现复杂模型的结构参数调整、自动生成实体模型并完成有限元分析对于优化产品结构有重要的作用。针对高速主轴进行参数化有限元分析的技术问题，述了论运用ＡＮＹＳＳ参数化设计语言ＡＤＰＬ进行高速主轴性能静态分析、态分析和谐响应分析全过程的模实现方法。应用实例表明，方法能有效地预估零件的结构特性，该可为结构优化设计提供依据。关键词：ＰＬ高速主轴ＡＤ

超高速空气电主轴动态特性的有限元分析

摘要：空气静压电主轴是高速精密数控加工机床的关键部件之一，其动态特性是影响高速数控机床的加工质量和
切削性能的重要因素。然而，当前超高速电主轴的转速能达到几十万转每分钟，使其对振动变形的问题尤为敏感和
１超高速空气电主轴应用及结构
随着消费电子产品需求量的快速增加，ＰＣＢ电路板的需求量也呈快速增长的趋势。为了满足板中微细７Ｌ（中ｏ．０５一．２ｍｍ）的高精度、高效率的加工要求，超高速空气电主轴被广泛应用于加工行业。以压缩空气为润滑剂的静压轴承由于无固体接触，具有精度高、极限转速高、寿命长、振动小等特点，非常适合作为超高速电主轴的支承元件。但是由于空气的可压缩性、低粘度等固有特性，超高速空气电主轴的承载能力和刚度较小，且在高速运行过程中，电主轴容易出现不稳定现象，严重影响超高速空气电主轴的加工性能，限制了超高速空气电主轴技术的应用与发展Ｊ。
目前国内生产的超高速空气电主轴能够达到的
转速是８００００—１０００００ｒａｄ／ｍｉｎ，主轴回转精度１ｍ。本文以广东某电主轴制造公司ＷＦ８０—０１型
空气电主轴为研究对象，利用大型有限元分析软件ＡＮＳＹＳ，对超高速电主轴系统的动态特性及稳定性进行分析，其结构如图１。

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。

高速电主轴的有限元分析

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ［上接第３７页］
ＯｐｔｉｍａｌＤｅｓｉｇｎｆｏｒＴｗｏ－ＧｒａｄｅＨｅｌｉｃａｌＣｙｌｉｎｄｒｉｃａｌＧｅａｒＲｅｄｕｃｔｏｒａｎｄＩｔｓＩｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｉｎＭａｔｌａｂ
选用solid45三维实体结构单元对主轴主体solid45单元用于仿真三维实体结构该单元有三个方向的平移自由度单元具有塑性力强化大变形和大应变的特性间部位作用有转子质量将轴上附加的转子质量转化为相应轴段的密度增加值所以需要附加密度定义两次材料属性别生成面模型在生成体的时候定义材料与面一样即生成两种不用的材料
通过对某电主轴进行结构分析，简化模型，建立电主轴的有限元模型，并对该电主轴进行模态分析，获得其固有频率及振型，从而计算出该电主轴的临界转速，为进一步的动力学分析提供了必要的依据。参考文献：［１］刘涛，杨凤鹏．精通Ａｎｓｙｓ［Ｍ］．北京：清华大学出版社．２００２．［２］胡爱玲．高速电主轴动静态特性的有限元分析［Ｄ］．广州：广东工
ＹＵＨｏｎｇ－ｂｉｎ（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ＆ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＪｉｎｈｕａＣｏｌｌｅｇｅｏｆＰｒｏｆｅｓｓｉｏｎ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＪｉｎｈｕａＺｈｅｊｉａｎｇ３２１０００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｄｕｃｔｏｒｉｓａｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｄｅｖｉｃｅｗｈｉｃｈｉｓｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｍｅｃｈａｎｉｃａｌｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｏｂｔａｉｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｄａｔａｏｆｒｅｄｕｃｔｏｒ，ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｗｉｌｌｂｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔａｇａｉｎａｎｄａｇａｉｎｉｎｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｄｅｓｉｇｎ．Ａｌｔｈｏｕｇｈｔｈｉｓｄｅｓｉｇｎｄａｔａｃａｎｓａｔｉｓｆｙｔｈｅｇｉｖｅｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｉｔｉｓｎｏｔｏｐ－ｔｉｍａｌ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ｔｈｒｏｕｇｈｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｄｅｓｉｇｎｖａｒｉａｂｌｅｓ，ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔｏｆｏｂｊｅｃｔｉｖｅｆｕｎｃｔｉｏｎａｎｄｃｏｎｆｉｒｍａｔｉｏｎｏｆｒｅｓｔｒａｉｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎｆｏｒｔｗｏ－ｇｒａｄｅｈｅｌｉｃａｌｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｇｅａｒｒｅｄｕｃｔｏｒｗａｓｓｅｔｕｐ．ＡｎｄｉｔｃａｎｂｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅＭＡＴＬＡＢｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｔｏｏｌｂｏｘ．Ｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ａｎｄｔｈｅｓｉｍｐｌｅｐｒｏｇｒａｍｏｆｔｈｅＭＡＴＬＡＢｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｔｏｏｌｂｏｘ，ｔｈｅｒｅ－ｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌｄｅｓｉｇｎｃａｎｂｅｉｍｐｒｏｖｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｍｅｔｈｏｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｔｗｏ－ｇｒａｄｅｈｅｌｉｃａｌｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｇｅａｒｒｅｄｕｃｔｏｒ；ＭＡＴＬＡＢｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｔｏｏｌｂｏｘ；Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎ

高速电主轴热特性分析的有限元网格划分

０引言
随着制造业对精度和效率的要求愈来愈高，高速加工成为切削加工的一个重要发展趋势川．于对高速高精度机床来说，主轴热误差是影响加工精电度的重要因素．用有限元法可以对电主轴系统采
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｈｓｅｄｍｏｏｉｅｐｉｄｌｔｒｌｃａａｔｒｓｉｎｌｓｓ；ｎｉｌｍｅｔｍｅｈｈｇｐｅｔｒｚｄｓｎｅ；ｈｅｍａｈｒｃｅｔｃａａｙｉｆｔｅｅｎ；ｓｉｉｅ
２２几何清理的关键问题．
几何清理是划分网格的基础，几何清理的效果直接影响网格质量和计算精度．由于导入模型存在
１２计入接触热阻的有限元网格划分要求．
计人接触热阻分析方法不要求零件之间网格连续，而是通过定义接触实现热、传递的．实现力要
第２６卷第５期２１年１０１０月
郑，轻工业学院学报（自然科学版）ｋｌ・Ｉ
ＪＵＮＬＦＨＮＺＯＮＶＲＩＹＯＩＨＤＳＲ（ａｒｃｎｅＯＲＡＥＧＨＵＵＩＥＳＦＬＴＮＵＴＹＮｔａＳｉｃ）ＯＺＴＧＩｕｌｅ
ＺＵＣｎＤＮｕ—ｎ，ＨＥＹ —ｕ，ＺＮｈ— ｎＨＯａ，ＥＧＧｉｉｇｌｕｈｉＨＡＧＳｉｕｊ
（ｎｔｄ．ｅａ．ｄｒｏｐｅｑｉｍｎｅｉｎｘｒｅｎｆｃｕｉ，ＭｉｉｒｏＥｕＫｙＬｂｏＭｏｅＣｍｌＥｕｅｔｓｎａｄＥｔｍｕｔｒｇｓｙｆｆｎｘｐＤｇｅＭａａｎ

应用有限元方法对高速电主轴的优化设计

应用有限元方法对高速电主轴的优化设计摘要：介绍了高速电主轴的结构特点，应用有限元分析软件ANsYs以刚度为目标对高速电主轴进行了优化设计，并对优化后的结构进行了热态校核。

关键词：高速电主轴；优化设计；有限元；热态分析90年代以来，我国的机床制造业发展迅速，设计和制造水平都有很大的提高，整体趋向高速、精密、绿色等方向发展，特别是近几年，代表着先进制造水平的数控机床和加工中心；很多国内厂家已开始产生。

在2003年北京国际机床展上，参展的主轴转速超过10000r／min的高速加工中心共有53台，其中国内产品占到24台。

但同时也不可否认，我国机床与国外先进的设计和制造水平相比还有比较大的差距，很多诸如电主轴、控制系统等关键部件，仍然依赖国外配套，自主开发能力不足。

在这种情况下，只有解决并提高关键部件的设计制造水平，才能摆脱对国外技术的依赖，从根本上促进我国机床行业持续发展。

我校高速加工实验室自90年代以来一直从事机床关键部件高速电主轴和快速进给单元的研究，自行开发了国内第一个高速大功率电主轴——GD一Ⅱ型电主轴，该电主轴采用“零传动”的传动方式，电机内置在机床主轴上，直接驱动主轴转动，从而去掉了传统传动链上的皮带、齿轮、联接键等，通过采用变频调速技术使主轴达到很高的转速，它的典型结构和系统组成如图l所示…。

主要具有以下几个特点：(1)结构简单紧凑，能很好地解决传统皮带或齿轮等方式传动在高速运转条件下所引起的振动和噪声问题。

(2)提高生产率，可在最短时间内实现高转速，也即是主轴回转时具有极大的角加速度。

(3)电机内置于主轴两支承之间，可有效地提高主轴系统的刚度，同时也提高了系统的固有频率，从而提高了其临界转速值。

目前，在试验成功的基础上，这种电主轴已经进入产业化，为了达到更高的设计要求和水平，并保证电主轴更高的可靠性，我们采用了有限元分析(Finite Element Analysis)对电主轴进行优化设计。

高速机床主轴部件有限元分析

第１０期张耀满等：高速机床主轴部件有限元分析１４７５高速数控机床的主轴部件的仿真分析方法进行研究，在产品设计阶段，分析主轴部件的动静态性能，对于提高机床产品的设计水平具有非常重要的理论和现实意义．以沈阳第一机床厂生产的某高速数控车床为研究对象，研究了采用弹簧阻尼单元来模拟轴承支承的有限元模型的建立方法，分别进行了模态分析和谐响应分析，得到了主轴和主轴部件的动态特性．最后结合机床性能试验探讨并验证了边界条件参数的合理选择．通过有限元分析和机床性能试验，验证了所采用的有限元分析方法的可行性，为以后进行类似的主轴部件有限元分析打下了基础．１高速机床主轴结构以沈阳第一机床厂生产的ＣⅢ６１２５机床主轴为研究对象．该机床采用对置双主轴结构，两主轴均采用内装式电主轴，并同时配备了伺服动力刀架，是具有钻、铣削功能的高速、高效车削中心…１．该机床第一主轴的结构如图１所示．图１机床第一主轴结构Ｆｉｇ．１Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆｉｒｓｔｓｐｉｎｄｌｅａｓｓｅｍｂｌｙ主轴轴承采用ＮＳＫ高精密陶瓷球轴承．主轴前支承采用内锥孔双圆柱滚子轴承来承受径向力，提高机床主轴径向刚度和主轴回转精度，采用背靠背安装的角接触球轴承来主要承受轴向力，降低主轴轴向窜动量，提高轴向刚度；后支承采用内锥孔的双圆柱滚子轴承，起到径向支承作用．２有限元模型的建立在建立有限元模型的过程中，采用弹簧一阻尼单元模拟轴承的弹性支承，每个支承采用４个沿圆周方向均匀分布的弹簧一阻尼单元来模拟【５＿６］．分别建立了使用两组弹簧和三组弹簧来模拟主轴支承情况的模型，如图２所示．三组弹簧模型在两组弹簧模型的基础上，增加了单独对角接触轴承的模拟，位置取为两个角接触轴承之间的中截面处，用以考察角接触球轴承对主轴横向振动特性的影响．箱体（。

）箱体箱体箱体箱体（ｂ）图２主轴支承弹簧一阻尼模型Ｆｉｇ．２ＭｏｄｅｌＯｆｓｐｒｉｎｇ－ｄａｍｐｅｒｅＩｄＴｅｎｔｓａｆｓｐｉｎｄｌｅｓｕｐｐｏｒｔ（ａ）一两组弹簧支承；（ｂ）一三组弹簧支承．由于主轴轴承的轴向刚度很大，阻尼对横向振动特性影响很小，所以在建立有限元模型中只考虑径向刚度影响，利用４个沿周向均布的弹簧一阻尼单元来模拟轴承支承．采用两组弹簧阻尼单元模型的前支承处弹簧刚度为０．１４ＧＮ／ｍ，后支承的弹簧刚度为０．１１ＧＮ／ｍ；采用三组弹簧阻尼单元模型的前支承处弹簧刚度为０．１４ＧＮ／ｍ，中间支承刚度为０．０５ＧＮ／ｍ，后支承处弹簧刚度为０．１１ＧＮ／ｍ．主轴零件采用Ｓｏｌｉｄ９２单元．主轴轴承支承部分模型是在每个圆周截面上沿圆周均布４个弹簧阻尼单元，弹簧单元的长度按照各处轴承的内外圈半径确定．外圈节点利用关键点（ｋｅｙｐＯｉｎｔｓ）建立，内圈节点采用硬点（ｈａｒｄＰ１ｒ）建立，同时保证弹簧单元的划分数目为１．所有弹簧阻尼单元外部４个节点限制全部自由度，前端内锥孔轴承支承内部４个节点限制轴向自由度．三组弹簧阻尼单元情况下的第一主轴有限元模型如图３所示．图３三组弹簧阻尼单元有限元模型Ｆｉｇ．３ＦＥＡｍｏｄｅｌｏｆ３－ｇｒｏｕｐｓｐｒｉｎｇ－ｄａｍｐｅｒｅｌｅｒｎｅｎｔｓ１４７６东北大学学报（自然科学版）第２９卷。

基于有限元分析方法的高速电主轴温度场仿真

基于有限元分析方法的高速电主轴温度场仿真陈红蕾【摘要】高速切削加工是先进制造技术的主要发展方向之一,高速电主轴作为高速加工机床的核心部件,由于其主电动机的散热条件较差,轴承温升比较高,由此引起的热变形会降低机床的加工精度.本文对高速电主轴的温度场进行了研究,建立了电主轴的有限元仿真系统.在对整个温度场的研究中,把内部空间域离散化为有限单元,对每个单元求解,可得出有限个热传导方程,对这些温度场求解得到了所需的温度场分布图.最终实现了对电主轴温度场的预测,并据此提出了改善其热态特性的措施.【期刊名称】《新技术新工艺》【年(卷),期】2010(000)003【总页数】3页(P41-43)【关键词】高速电主轴;有限元分析;温度场【作者】陈红蕾【作者单位】兰州工业研究院,甘肃,兰州,730050【正文语种】中文【中图分类】TG74.9高速切削加工是先进制造技术的主要发展方向之一,现代数控机床和加工中心的发展主要方向和特征是机床的高速化[1]。

高速电主轴作为高速加工机床的核心部件,由于电动机的损耗发热和轴承的摩擦发热是不可避免的,由此引起的热变形很有可能降低机床的加工精度,因此,在实际加工过程中,电主轴温度场的变化成为影响加工精度的一个主要因素。

本文以一种车铣加工中心电主轴为例,运用有限元软件ANSYS对其温度场进行仿真分析,并据此对其热稳性提出了改善措施。

1 高速电主轴的结构高速电主轴的典型结构如图1所示。

电主轴其实是内装式电动机主轴,主要由无外壳主轴电动机、前后轴承和主轴箱体等组成。

电动机的转子采用压配方法与主轴做成一体,主轴则由前后轴承支撑,电动机的定子通过冷却套安装于主轴单元的壳体。

这种结构与传统的用带、齿轮等作末端传动的结构相比,可较大提高主轴系统的刚度,也就提高了系统的固有频率,从而提高了其临界转速值,这种结构简单、紧凑,也可用于多轴联动机床、多面体加工机床和并联机床。

现在,电主轴已成为一种机电一体化的高科技产品[2],瑞士的 FISCHER公司、IBAG 公司和 STEP-UP公司,德国的GMN公司和FAG公司,美国的PRECISE公司,意大利的GAMFIOR公司和FOEMAT公司,日本的NSK公司和KOYO公司以及瑞典的SKF公司等都能供应标准系列的电主轴。

高速电主轴的有限元分析

基于有限元分析方法的高速电主轴温度场仿真

高速电主轴动态特性的有限元分析

高速电主轴动态特性的有限元分析与振动测试

高速电主轴热态性能的有限元分析及温升控制

基于ANSYS APDL语言的高速主轴参数化有限元分析方法

轴的有限元分析范文

高速磨削电主轴热-结构耦合有限元分析与仿真

高速电主轴动力学性能有限元分析.

基于有限元方法的电主轴模态分析

基于ANYSY的高速加工中心主轴箱有限元分析及优化

电主轴论文：电主轴 热-结构耦合 ANSYS 有限元分析

高速机床主轴部件有限元分析

基于ANSYS APDL语言的高速主轴参数化有限元分析方法

超高速空气电主轴动态特性的有限元分析

机床主轴有限元分析报告

高速电主轴的有限元分析

高速电主轴热特性分析的有限元网格划分

应用有限元方法对高速电主轴的优化设计

高速机床主轴部件有限元分析

基于有限元分析方法的高速电主轴温度场仿真

电主轴论文：电主轴热-结构耦合 ANSYS 有限元分析