车铣复合加工中心主轴结构的有限元分析

合集下载

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。

加工中心主轴部件的有限元分析及其验证

中图分类号：ＴＧ５０２．１４文献标识码：Ａ文章编号：１６７２— ４３４８（２０１３）０３— ０２８８— ０３
Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔａｎａｌｙｓｉｓ（ＦＥＡ）ｏｆｓｐｉｎｄｌｅａｓｓｅｍｂｌｙｏｆＣＮＣｌａｔｈｅａｎｄｉｔｓｖｅｒｉｉｆｃａｔｉｏｎ
ＹｕＬｕｏｊｉａｎ，ＬｉＪｉｚｅ，ＰｅｎｇＪｉｎｍｉｎ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃｌａａｎｄＡｕｔｏｍａｔｉｖｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＦｕｊｉａｎＵｎｉｖｅｓｉｒｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｙ，ｇＦｕｚｈｏｕ３５０１１８，Ｃｈｉｎａ）
ｎａｔｕｒａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓａｎｄｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｖｉｂｒａｔｉｏｎｍｏｄｅｓｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ．ＴｈｅＦＥＡｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｈｅａｄ．ｓｔｏｃｋｗａｓｖｅｉｆｒｉｅｄｂｙＬＭＳｅｑｕｉｐｍｅｎｔｍａｄｅｉｎＢｅｌｇｉｕｍ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｒｅｌａ —

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。

车铣复合加工中心主轴（C轴）定位结构设计

车铣复合加工中心主轴（C轴）定位结构设计
简介
现有车削中心在进行C 轴加工时对主轴采用气动定位，其锁紧力较小，制动不可靠，难以保证加工精度，结构较为复杂，安装维护较为不便，成本较高。

车铣复合加工中心主轴（C轴）定位结构设计
车削中心主轴 1 固定有制动盘 2，制动盘 2 与车削中心主轴1 同轴，制动盘 2 附近设置有左液压缸体 3 和右液压缸体 4，左液压缸体3 和右液压缸体 4 同轴且两者的轴线与车削中心主轴 1 的轴线平行，滑动连接在左液压缸体 3 内的左活塞 5 外端固定有左压盘 7 并位于制动盘 2 的左侧，滑动连接在右液压缸体 4 内的右活塞 6 外端固定有右压盘 8 并位于制动盘 2 的右侧，左液压缸体 3 及右液压缸体 4 与同一液压油路 9 连通，左活塞 5 对应于左液压缸体右端和左活塞内端之间套设有左复位弹簧 10，右活塞对应于右液压缸体左端和右活塞内端之间套设有右复位弹簧 11。

当主轴处于C 轴某一位置进行铣削加工时需对主轴进行定位锁紧，此时液压油路中的液压油分别进入左液压缸体和右液压缸体，推动左活塞向右运动和右活塞向左运动，使左压盘和右压盘分别从制动盘的两侧压住制动盘 , 达到锁紧车削中心主轴的目的。

当不需要锁紧时，停止供油，左活塞和右活塞分别在左弹簧和右弹簧的作用下复位，使左、右压盘脱开。

基于结合面的车铣复合加工中心有限元建模

ｅｅｅｔｍｏｄｌｇｌｍｎｅｉｎ
Ｏ引言
结合面大量存在机床结构中，得机床结构不使
再具有结构连续性，现出的复杂动力学特性，大表极程度地影响着整机动态性能。研究表明，床结构机中结合面的接触刚度约占机床总刚度的６％～０８％，０机床上出现的振动问题有６％以上源自结合０面，结合面阻尼占机床阻尼９％以上而０。因此，在研究机床结构整体动态特性时，须考虑结合面必
ｍｉｔｍｉｇａｌｏｋｎ＠ｍａｌｘｕｅｕｃ。）ｉｊ．ｄ．ａ．ｔ
公司，宁大连辽１６２）１６０
摘要：结合面是影响机床动态特性的关键因素，机床有限元建模过程中必须考虑结合面的影响。在
以某车铣复合加工中心为研究对象，于固定结合面和移动结合面的有限元建模，基建立了整机的有限元模型。对整机有限元模型进行模态分析，对整机进行模态试验，并然后将整机的模态分析的计算结果与实验结果相比较，实了该有限元模型的准确性和该结合面建模方法的有效性。证关键词：车铣复合加工中心；结合面；态分析；态试验；限元建模模模有
７０４Ｃｉａ２ＤＬａａｈｎｏｌＮｍｅｉｌｏｔ１ｏｐｒｔｎＤＬａ１６０Ｃｉａ１０９，ｈｎ；．ａｉｎＭｃｉｅＴｏ（ｕｒａＣｎｒ）Ｃｒｏａｉ，ａｉｎ１６２，ｈｎ）ｃｏｏ

车铣复合加工中心滑枕结构设计及有限元优化分析

ｐ１ｗｎｄｕｔｔｅｉｆｅｃｆｐｏｅｓｔｒｕｈＸｈｆｓｔｌｃｐｃＩｉｉｏｔｔｔｈｎｅｓｙａｄｒｉｉｎｃｉｉｇｐｅｉｉ０ａｄｉａｊｓｌｎｅｏｒｃｓｈｏｇｓａｅｅｏｉ．ｔｓｍｐｒｎｏｔｅｉｔｎｉｎｉｄｔａｄｍａｈｎｎｒｃ— １ｔｓｈｎｕＸｔｓａｔｇｙ
ｓｎｍａｈｎｅｔｏ．ｉｒｃｅｆｃｓｄｏｈｅｓｒｔｅｄｅｉｎｆｓｉｐｒｌｗｏｕｔｒｔａｋｉｔｉｕｏｔｌｏａｑｉｅｔｅｔａｓ－ｉｉｃｏｎｉｏ１Ｔｈｓａｔｌｏｕｅｎｔｔｕｃｕｒｓｇｏｌｅｐｉｉｐｙｏｃｎｄｃｏｒｃｓｄｓｒｂｔｎｓｅｔｃｕｒｈｒ￣ｒｉｙｎｍａｉｎｄｓｒｓｉｂｔｏｏｈｉｅｅｔｓｒｃｅｓｓｐｅｌｗｎｔａＴｅｌａｎｄｔｏｌｗｉｇｃｎｅｕｃｙｅｍｅｈｏｆｉｔｏｎａｔｅｓｄｓｕｉｎｆｔｅｄｆｒｎｔｍｒｈｐｒｐｉｏｉｈｅｓｌｌｏｄａｈｅｆｌｉｔｕｙｌｏｎｏｓｑｅｅｂｔｔｄｏｆｈ — ｎｔｌｍｅｔａａｙｉｔｐｍｉｅｄｅｉ．ｉｅｅｅｎｎｌｓｓｏｏｔｚｓｇｉｎＫｅｒｓａ—ｍｌｎｇｉｈｏｍｐｏｎｄｐｒｃｓｉｅｔｒｓｉｐｒｙｗｏｄ：ｃｒｉｌｎｔｅｃｉｕｏｅｓｎｇｃｎｅ；ｌｅｐｍｏ；ｆｎｔｌｍｅｔｓｒｃｒｐｍｉａｏｐｙｗｉｉｅｅｅｎ；ｔｕｔｅｏｔｚｔｎｕｉｉ

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。

加工中心主轴箱的有限元分析及轻量化研究

总体质量由原来的６７０ｋｇ减轻至５５０ｋｇ，质量减轻了ｌ８％，达到了主轴箱轻量化的目的．实验
结果表明：优化后的主轴箱模态振型较为合理，其固有频率远离机床常用工况区的激振频率区
间。表明主轴箱在工作时不易与机床的其他部件或工件产生共振，从而对提高加工精度有利．关键词：加工中心；主轴箱；有限元分析；轻量化研究中图分类号：ＴＧ５０２．３文献标志码：Ａ
ＡＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＬｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔＳｔｕｄｙｏｆｔｈｅＭａｃｈｉｎｉｎｇＣｅｎｔｅｒＨｅａｄｓｔｏｃｋＢｏｘ
Ｍａｙ
２０１４
文章编号：１００６．７３０２（２０１４）０２－００６３・０６
Ｊｊｑ－ｒ中心主轴箱的有限元分析及轻量化研究
陈麟。黄东升，耿爱农，王大承
（五邑大学机电工程学院，广东江门５２９０２０）
第２８卷第２期
２０１４拄
５月
五邑大学学报（自然科学版）ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＷＩＩＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）

卧式车铣复合加工中心有限元分析

的刚度，加机床的性能。’ 增
占总变形量比重．图５所示。如由柱状图可知．方向加载时十字导轨的变形量Ｘ
３十字导轨静刚度分析
在机床设计中。了使设计方案更合理，能满足为更实际需要，有必要对机床使用中变形较大的部件作专
在十字导轨部位．且立柱和螺母的变形也较大．区并但
别于轴方向加载，，ｌ１滚珠丝杠发生的变形很大，仅次于十字导轨。当沿Ｚ轴方向加载时，机床的最大变形发生在立柱．Ｚ１滚珠丝杠、字导轨和ｙｌ导轨的变十形量基本相同。综合分析上述ｉ种加载情况下机床各部件在总变形量巾所占的比重，以得出．轴轴承的可主变形量不大，字导轨、柱和螺母是机床受载过程中十立变形量最大的部位，设计中需要重点考虑。据上面在根
的变形。
参考文献
［］杨永亮．于有限元的车床床身结构优化［］大连：连１基Ｄ．大
理工大学．０６２０．
２林有希，诚辉，济众．型机床动态特性的整机有限元］高高大分析［］福州大学学报，０３２：９７．Ｊ．２０（）６ — ３［］王世军，玉美．床整机特性的有限元分析方法［］机３黄机Ｊ．床与液压，０５３：０２．２０（）２ — ３

加工中心主轴系统的热变形分析与有限元计算

ｗｅｒｅ啪删ｒｅｄｆｉｅｌｄａｎｄｔｌｌｅ山ｅⅡｎａｌｄｅｆｏ舢ａｔｉ加０ｆＩｈｅｓｐｉｎｄｌｅｓｙｓｔｅｍ
ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅ、ｒｉｎｕ８ｌｉｎｓｔｎｌｍｅｎｔ８妣ｈｎｏｌｏｇｙ．ｎｅＦＥＭｍｏｄｅｌｏｆ
ｔｈｅ删ｄｅｆｏｍａｔｉｏｎｔｈｅｔｈｅ彻ａｌｄｅｆｏ册ａｔｉ佣ｏｆｔｈｅｓｐｉｎｄｌｅｓｙｓｔｅｍｗ鼬ｂｕｉｌｔｕｐｂｌＩｓｅｄｏｎＩ．ＤＥＡＳ，ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ６ｅｌｄ粕ｄｔ｝ｌｅ
隔３０血ｎ左右采集一次数据。
１。２测量结果分析
主轴套筒的温度变化如图４所示。从图可知，机床开始运转时温升较快，且主轴套筒附近温度变化最剧烈，而主轴箱的靠近侧壁部分温度最低，主轴箱的
后部、底部温升为５—８℃。因此主轴箱的温度分布基本以主轴为中心线，温升沿半径方向减小。主轴是机床最大的热源。主轴套筒由于靠近主轴轴承温度变
收稿日期：２００７—０３—３０作者简介：穆塔里夫·阿赫迈德（１９６３一），男，维吾尔族，新疆莎车人，教授，硕士生导师。主要研究方向：机构学、机
械设计及理论、虚拟制造。电话：０９９１—４５５６２４５，１３８９９８５２６２４。Ｅ—ｍａｉｌ：ｍｔｌｐ＠２６３．ｎｅｔ。
万方数据
第２期
穆塔里夫·阿赫迈德等：加工中心主轴系统的热变形分析与有限元计算
ＭｕｔｅｌｌｉｐＡｈｍａｔ。ＣＨＥＮＧＷｅｉ
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎ百ｎｅｅｒｉｎｇ，ＸｉｎｊｉａｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＵｍｍｑｉＸｉｎｊｉａｎｇ８３０００８，Ｃｈｉｎａ）
Ａ瞰瑚屺ｔ：７ｒｈｅｃｈｉｅｆｈｅａｔｓｏｕｒｃ铭ｏｆｔｌｌｅ叩ｉｎｄｌｅｓｙｓｔｅｍｆｏｒｔｈｅＴＨ６３５０ｍｃｈｉｎｉｎｇｃｅｍｅｒｗｅｒｅａ眦ｌｙｚｅｄ，ａｎｄｔｈｅｔｅ“ｐｅｍｔｕｒｅ

车铣复合加工中心的主轴机械结构设计

图书分类号：密级：毕业设计(论文)车铣复合加工中心的主轴机械结构设计THE DESIGN OF SPINDLE MECHANICAL STRUCTURE FOR TURN-MILLINGMACHINING CENTER学生姓名班级学院名称专业名称指导教师XXX学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。

除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。

本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

论文作者签名：日期：日XXX学位论文版权协议书本人完全了解XXX关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归XXX所拥有。

XXX有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。

XXX可以公布学位论文的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

论文作者签名：导师签名：日期：年月日日期：年月日摘要本设计主要是针对于车铣复合加工中心主轴机械结构部分。

当前机械制造业涉及了机床技术，加工工艺技术，数控技术以及计算机技术等多领域，是一个的综合产业。

目前由于机械零件制造呈小批量，复杂工艺过程的特点，因此，相比传统的机械加工模式，这将对机床的加工效率，加工精度，自动化程度提出了更高的要求。

近些年，复合加工技术成为了机械制造业的热门发展方向，车铣复合加工中心作为具体实现装置，它可以减少装夹工件的次数，并且以此提高加工精度及效率。

主轴作为机床的重要组成部分，它很大程度上决定了机床的性能，本论文主要对车铣复合加工中心的主轴机械结构进行设计，其内容包括了总体的主轴结构方案分析设计、具体主轴尺寸参数确定和校核、电机和轴承选型与计算校核以及根据主轴的承载重量、切削力等相关参数，进行主轴的动平衡计算，强度、刚度校核。

车铣复合加工中心的主轴机械结构设计毕业设计论文

毕业设计(论文)车铣复合加工中心的主轴机械结构设计THE DESIGN OF SPINDLE MECHANICAL STRUCTURE FOR TURN-MILLINGMACHINING CENTER毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：日期：学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日注意事项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

主轴结构优化的有限元方法_胡友安

第２１卷第１期２００７年３月Ｖｏ１．２１Ｎｏ．１Ｍａｒ．２００７河海大学常州分校学报ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＨＯＨＡＩＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＣＨＡＮＧＺＨＯＵ文章编号：１００９－１１３０（２００７）０１－００２５－０４主轴结构优化的有限元方法胡友安，黄幼玲，周军（河海大学机电工程学院，江苏常州２１３０２２）摘要：利用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ计算数控镗铣钻床主轴的静态变形与一阶固有频率．在ＡＮＳＹＳ中利用ＡＰＤＬ语言实现主轴有限元模型的参数化，并对主轴的结构进行优化设计，求出了主轴优化后的主要结构参数．分析结果表明，采用优化的主轴参数不但降低了主轴自重而且提高了主轴的刚度和临界转速，使主轴在结构方面更加合理、安全．关键词：有限元；主轴结构；优化设计；参数化中图分类号：ＴＨ１３３．３；ＴＢ１１５文献标识码：Ａ收稿日期：２００６－０４－１９作者简介：胡友安（１９６３－），男，湖北黄陂人，副教授，机电控制及自动化专业．主轴是机床的重要部件之一，其工作状况直接影响机床的使用性能和零件的加工质量．主轴的静、动态特性分析是机床设计计算的主要内容．目前，比较简便的方法是将主轴简化为简支梁，主轴的静态变形根据材料力学理论利用变形的线性叠加原理得到［１］．但主轴一般是阶梯轴，端部带锥孔，所以按材料力学计算出的主轴静态变形只能是近似解；至于主轴的动态特性通常采用简化方法进行分析设计．本文中作者采用有限元方法，运用ＡＮＳＹＳ软件计算主轴的静、动态特性，并对其结构进行优化设计．首先在ＡＮＳＹＳ中建立主轴有限元分析模型，进行静态变形和固有频率计算，并利用ＡＰＤＬ语言建立参数化模型，然后在此基础上以主轴各段外圆直径和各阶梯段长度为设计变量进行优化计算，最终求出主轴各外圆直径和各阶梯段长度的最优解．１主轴静、动态特性的有限元分析图１是数控镗铣钻床主轴系统的结构简图．从图中可以看出该主轴端部带有锥孔，并以双向推力球轴承４和双列圆柱滚子轴承３作为前支承，以另一双列圆柱滚子轴承１作为后支承，在中部装有用于力矩输入的传动齿轮２和５．图１主轴结构示意图Ｆｉｇ．１Ｔｈｅｄｉａｇｒａｍｏｆｓｐｉｎｄｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ１．１主轴模型的简化在建立图１所示的主轴模型时，忽略主轴的所有小特征（如倒角、圆角、退刀槽等），将主轴简化成多阶梯圆柱体．根据主轴的外径和内径尺寸，将主轴分为７段，各段长度分别为Ｌ１＝６７ｍｍ，Ｌ２＝５２ｍｍ，Ｌ３＝６６ｍｍ，河海大学常州分校学报２００７年３月Ｌ４＝１５３ｍｍ，Ｌ５＝１４７ｍｍ，Ｌ６＝３５ｍｍ，Ｌ７＝２０ｍｍ；各段外径分别为Ｄ１＝５６ｍｍ，Ｄ２＝６０ｍｍ，Ｄ３＝６０ｍｍ，Ｄ４＝６２ｍｍ，Ｄ５＝６５ｍｍ，Ｄ６＝６７．５ｍｍ，Ｄ７＝７４ｍｍ．假设轴承刚度远大于主轴刚度，忽略轴承变形，并根据轴承１、３、４的约束性质将主轴右端简化为固定铰支座，左端简化为可动铰支座．主轴中段受有传动齿轮的作用力，右端承受切削力作用．主轴的简化结构及力学模型如图２所示．１．２有限元分析过程与结果设主轴材料的弹性模量Ｅ＝２．１×１０５ＭＰａ，密度ρ＝７．８×１０３ｋｇ／ｍ３．通过在主轴右端沿ｘ、ｙ、ｚ方向分别施加１ｋＮ的静载荷模拟切削力，并将中部齿轮的作用力向轮心简化得圆周力Ｐｚ、径向力Ｐｙ、扭矩Ｍｘ，其大小分别为１．６２１ｋＮ、０．５６ｋＮ和０．１５４ｋＮ・ｍ．在ＡＮＳＹＳ中建立主轴的有限元模型，利用Ｂｅａｍ１８８单元划分网格．有限元的分析结果如图３所示，其中：最大变形为６．６６μｍ，发生在主轴中部；影响主轴加工精度的右端变形为０．７２９μｍ；体积为１．２５×１０－３ｍ３；一阶固有频率为２４４．６Ｈｚ．２主轴结构优化２．１优化设计的数学模型主轴的结构优化属于多目标规划问题，以主轴体积Ｖ（Ｘ）和右端变形Ｙ（Ｘ）最小为优化目标．采用线性加权法构造评价函数ｈ（Ｘ）．为使量纲统一，将体积Ｖ（Ｘ）转化为Ｖ（Ｘ）３!；设计变量Ｘ取主轴各阶梯段的长度和外圆直径，由于第４段是安装齿轮的部分，因此该段的长度和外径为常量，这样共有变量１２个．以主轴的一阶固有频率ｆ１不低于给定值ｆ０和各阶梯段长度在给定范围内为约束条件，建立主轴结构优化的数学模型：ｍｉｎｈ（Ｘ）＝λ１Ｖ（Ｘ）３!＋λ２Ｙ（Ｘ）（１）式中，λ１、λ２为权系数．２．２参数化有限元模型优化设计是一种确定最优设计方案的设计方法，是“分析－评估－修正”的循环过程．设计变量的初值在对目标函数的分析和对状态变量的评估后会被修正，因此在优化前必须利用ＡＮＳＹＳ中的参数化设计语言ＡＰＤＬ［２］对设计变量Ｘ、目标函数Ｖ（Ｘ）和Ｙ（Ｘ）、状态变量ｆ１进行参数化处理，建立参数化有限元模型．２．３设计变量的选择由模型可见，如果以主轴的所有阶梯长度和外圆直径作为设计变量，则共有１２个变量．这样在优化过程中需要迭代的次数就很多，耗费的机时也很大，而且增加了结果收敛于局部最优解的可能性［３］．因此在优化前必须利用ＡＮＳＹＳ中的扫描工具ＤＶＳＷＥＥＰ，对设计变量进行筛选，抽取对目标函数和状态变量影响比较大的作为优化计算的设计变量．分别对体积Ｖ、右端静态变形Ｙ以及固有频率ｆ１进行筛选分析，分析结果如图４所示．由图可知：Ｌ５、Ｄ５、Ｄ２、Ｄ１对体积Ｖ的影响较大；Ｌ７、Ｄ５、Ｄ７对静态变形Ｙ的影响较大；Ｌ５、Ｄ５、Ｄ１、Ｄ２对固有频率ｆ１的影响较大．三者综合取设计变量Ｘ＝（Ｄ１，Ｄ２，Ｄ５，Ｌ５，Ｌ７），初值设为Ｘ０＝（５６，６０，６５，１４７，２０）ｍｍ；图２主轴的简化结构及其力学模型Ｆｉｇ．２Ｔｈｅｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｉｔｓｍｅｃｈａｎｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｓｐｉｎｄｌｅ图３主轴径向受力变形云图Ｆｉｇ．３Ｄｉｓｐｌａｃｅｒａｄｉａｌｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｓｐｉｎｄｌｅ２６第２１卷第１期变化范围为Ｘｍｉｎ＝（４５，５０，６０，９０，１５）ｍｍ，Ｘｍａｘ＝（６０，６０，７０，２００，３０）ｍｍ．同时选取一阶固有频率的最小值为２００Ｈｚ．２．４权系数的确定在采用!方法确定式（１）中的权系数λ１、λ２时，必须先求出单目标问题的最优解，为此先在ＡＮＳＹＳ中根据主轴的参数化有限元模型分别对体积Ｖ和变形Ｙ进行单目标优化计算．具体计算时采用子空间迭代算法，在每次迭代中，根据梯度计算确定搜索方向，当目标函数相邻２次迭代值之差小于设定值时，迭代终止．单目标问题的优化结果如表１所示．图４设计变量对体积、变形和一阶频率的影响Ｆｉｇ．４Ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｄｅｓｉｇｎｖａｒｉａｂｌｅｓｏｎｖｏｌｕｍｅ，ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｎａｔｕｒａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙ表１单目标问题的最优解Ｔａｂｌｅ１Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆｓｉｎｇｌｅｏｂｊｅｃｔｉｖｅｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇ单目标Ｄ１／ｍｍＤ２／ｍｍＤ５／ｍｍＬ５／ｍｍＬ７／ｍｍＶ／ｃｍ３Ｙ／μｍｍｉｎＶ（Ｘ）４５．１５２．７６０．０９６．３１５．７９３１０．７５３ｍｉｎＹ（Ｘ）５０．８６０．０７０．０１６３．２１５．０１３３４０．５５９根据表１的计算结果由下式计算权数λ１、λ２［４］：λ１＝Ｙ（Ｘ１）－Ｙ（Ｘ２）Ｖ（Ｘ２）３"－Ｖ（Ｘ１）３"＋［Ｙ（Ｘ１）－Ｙ（Ｘ２）］λ２＝Ｖ（Ｘ２）３"－Ｖ（Ｘ１）３"Ｖ（Ｘ２）３"－Ｖ（Ｘ１）３"＋［Ｙ（Ｘ１）－Ｙ（Ｘ２）］#%%%%%%$%%%%%%&式中：Ｖ（Ｘ１）和Ｙ（Ｘ１）是以Ｖ（Ｘ）为目标时的最优解；Ｖ（Ｘ２）和Ｙ（Ｘ２）是以Ｙ（Ｘ）为目标时的最优解．最后得出优化目标函数：ｍｉｎｈ（Ｘ）＝０．００１５Ｖ（Ｘ）３"＋０．９９８５Ｙ（Ｘ）３优化结果分析采用子空间迭代算法在ＡＮＳＹＳ中求解，经过１２次迭代计算后获得的优化结果为Ｘ＝（５２，５５，６０，１００，２６）ｍｍ，ｍｉｎＶ（Ｘ）＝１．０２５×１０－３ｍ３，ｍｉｎＹ（Ｘ）＝０．５７６μｍ可见，优化后主轴体积是初始设计时的８２％，变形Ｙ与初始设计时的０．７２９μｍ相比减少了２０．９８％，表明在主轴体积减少的同时，主轴刚度也有了较大的改善．而且，作为状态变量的一阶固有频率提高到了２９１．４Ｈｚ．采用计算临界转速的近似公式ｎｃ＝６０ｆ１，得出优化后的临界转速为１７４８４ｒ／ｍｉｎ，远远超出了主轴的最大工作转速５０００ｒ／ｍｉｎ，与优化前的临界转速１４６７６ｒ／ｍｉｎ相比也有了大幅度提高，改善了主轴的动态性能，使主轴结构更加安全．胡友安，等主轴结构优化的有限元方法２７（上接第２１页）［４］ＭｕｌｌｅｒＳＨ，ＨｕｂｅｒＪＢ．ＣｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｐｅａｋｐｏｗｅｒｒｅｄｕｃｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅｓｆｏｒＯＦＤＭ［Ｃ］／／ＩＥＥＥＧｌｏｂａｌＴｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．Ｐｈｏｅｎｉｘ：ＩＥＥＥ，１９９７：１－５．［５］ＷａｎｇＣｈｉｎｌｉａｎｇ，ＨｓｕＭｉｎｇｙｅｎ，ＯｕｙａｎｇＹｕａｎ．Ａｌｏｗ!ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙｐｅａｋ!ｔｏ!ａｖｅｒａｇｅｐｏｗｅｒｒａｔｉｏｒｅｄｕｃｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｆｏｒＯＦＤＭｓｙｓｔｅｍｓ［Ｃ］／／ＩＥＥＥＧｌｏｂａｌＴｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．ＳａｎＦｒａｎｃｉｓｃｏ：ＩＥＥＥ，２００３：３７５－２３７９．ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅＩｍｐｒｏｖｅｄＳＬＭＡｌｇｏｒｉｔｈｍｆｏｒＰＡＰＲＲｅｄｕｃｔｉｏｎｉｎＯＦＤＭＳｙｓｔｅｍＺＨＡＮＧＬｉ!ｈｕａ，ＫＡＮＧＧｕｉ!ｈｕａ，ＬＩＵＪｕａｎ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＣｏｍｐｕｔｅｒ＆ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｏｈａｉＵｎｉｖ．，Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ２１３０２２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅＳＬＭａｌｇｏｒｉｔｈｍｈａｓｈｉｇｈｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙｆｏｒｒｅｄｕｃｉｎｇｔｈｅＰＡＰＲｏｆｔｈｅＯＦＤＭｓｙｓｔｅｍ．ＢａｓｅｄｏｎｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇａｎｉｍｐｒｏｖｅｄＳＬＭｓｃｈｅｍｅ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒａｐｐｌｙｉｔｔｏｔｈｅｍｏｒｅｇｒｏｕｐｉｎｇｓｅｑｕｅｎｃｅｂｙｅｘｔｅｎｄｉｎｇｔｈｅｎｕｍｂｅｒｏｆｔｈｅｒａｎｄｏｍｐｈａｓｅｓｅｒｉｅｓ．Ａｆｔｅｒｏｖｅｒｓａｍｐｌｉｎｇｔｈｅｓｉｇｎａｌ，ｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｄｓｃｈｅｍｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅａｌｏｗ!ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｓｔｏｒｅｐｌａｃｅｔｈｅＩＦＦＴｂｌｏｃｋｓｉｎｔｈｅｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌＳＬＭｍｅｔｈｏｄ．ＣｏｍｐｕｔｅｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓａｎｄｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｅｘｔｅｎｄａｂｌｅｉｍｐｒｏｖｅｄＳＬＭａｐｐｒｏａｃｈｃａｎｒｅｄｕｃｅａｖａｉｌａｂｌｙｔｈｅｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙａｎｄｒｅａｃｈａｌｍｏｓｔｔｈｅｓａｍｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｆｏｒＰＡＰＲｒｅｄｕｃｔｉｏｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＯＦＤＭ；ＰＡＰＲ；ＳＬＭ；ＰＴＳ参考文献：［１］张济生．主轴部件最佳支承跨距的精确计算［Ｊ］．制造技术与机床，１９９６（４）：３２－３７．［２］裴大明，冯平法，郁鼎文．基于有限元方法的主轴轴承跨距优化［Ｊ］．机械设计与制造，２００５（１０）：４４－４６．［３］刘涛，杨凤鹏．精通ＡＮＳＹＳ［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００２：４２６－４３５．［４］唐焕文，秦学志．实用最优化方法［Ｍ］．大连：大连理工大学出版社，２００４：２４８－２５４．ＴｈｅＦＥＭｆｏｒＯｐｔｉｍｕｍＤｅｓｉｇｎｏｆＳｐｉｎｄｌｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅＨＵＹｏｕ!ａｎ，ＨＵＡＮＧＹｏｕ!ｌｉｎｇ，ＺＨＯＵＪｕｎ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ＆ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｏｈａｉＵｎｉｖ．，Ｃｈａｎｇｚｈｏｕ２１３０２２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＵｔｉｌｉｚｉｎｇＡＮＳＹＳ，ｔｈｅｓｔａｔｉｃｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄｎａｔｕｒａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙｆｏｒｔｈｅｓｐｉｎｄｌｅｏｆｔｈｅＮＣｂｏｒｉｎｇ!ｍｉｌｌｉｎｇｍａｃｈｉｎｅａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．ＴｈｅｍｏｄｅｌｉｓｐａｒａｍｅｔｅｒｉｚｅｄｕｓｉｎｇＡＰＤＬｉｎＡＮＳＹＳ，ｔｈｅｏｐｔｉｍｕｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｓｐｉｎｄｌｅｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄｔｈｅｍａｉｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｓｐｉｎｄｌｅａｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｓｐｉｎｄｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｍｏｒｅｓａｆｅａｎｄｓｕｉｔａｂｌｅａｆｔｅｒｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ，ｗｉｔｈｌｅｓｓｗｅｉｇｈｔ，ｂｅｔｔｅｒｒｉｇｉｄｎｅｓｓａｎｄｈｉｇｈｅｒｃｒｉｔｉｃａｌｓｐｅｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＦＥＭ；ｓｐｉｎｄｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ｏｐｔｉｍｕｍｄｅｓｉｇｎ；ｐａｒａｍｅｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!河海大学常州分校学报２００７年３月２８。

车铣复合机床构造详细分析总结

车铣复合机床构造详细分析总结现代计算机车铣复合机床由控制介质，输入和输出设备，计算机数控设备，伺服系统和机体组成。

1.控制介质控制介质，也称为信息载体，是人机和CNC 机床之间的中间物质，反映了CNC加工中的所有信息。

当前常用的是打孔的磁带，磁带或磁盘等。

2.输入和输出设备是CNC系统与外部设备交互的设备。

交互式信息通常是零件处理程序。

将要编译并记录在控制介质上的零件处理程序输入到CNC系统中，或者将调试后的零件处理程序通过输出设备存储或记录在相应的控制介质上。

3.数控装置车铣复合机床实现了自动加工的核心，主要由计算机系统，位置控制板，PLC接口板，通讯接口板，特殊功能模块和相应的控制软件组成。

根据输入零件处理程序执行相应的处理，然后将控制命令输出到相应的执行组件。

所有这些任务都由车铣复合机床中的硬件和软件开展协调，并合理地组织起来，以使整个系统有序地工作。

4.伺服系统车铣复合机床是数控系统与机床主体之间的电气传递环节，主要由伺服电机，驱动控制系统和位置检测反应装置组成。

伺服电机是系统的执行组件，而驱动控制系统是伺服电机的动力源。

将数控系统发送的指令信号与位置反应信号开展比较，并将其用作位移指令。

在放大驱动系统的功率之后，根据指定的轨迹和进给速度驱动机床的运动部件开展定位或移动，以便机床可以加工出满足图纸要求的图案、成分。

5.检测反应系统测量反应系统由检测元件和相应的电路组成。

其功能是检测机床的实际位置和速度，并将其反应给数控设备，以与指令信息开展比较和校正，从而形成系统的闭环控制。

6.机床主体车铣复合数控机床的主体是指数控车床机械机构的实体，包括床，主轴和进给机构等机械零件。

由于数控机床是高精度，高生产率的自动化机床，与传统的普通机床相比，它应具有更好的刚性和抗振性，相对运动摩擦系数应较小，传动部件之间的间隙应较小，变速箱和变速系统应易于实现自动控制。

机床主轴部件有限元受力分析

g 供应、零配件售后服务不到位，跟不上农户的需求
此外，大部分农机维修网点设备简陋，有修理等级证书的修理工少，大量的农机具因得不到正确的维护保养，经常处于带病作业状态，既不安全又降低了机械效益。农机经销商店缺乏服务意识，个别经销商店贪图个人利益，经营的零配件质量不过关，使广大购机户的利益受到很大损失。因此，加强农机维修行业的管理是摆在凤台县每位农机管理人员面前的一个亟待解决的课题©
农机维修是农业机械“局效、优质、安全、正常 ” 作业的重要保障，搞好农机维修对促进农业机械化发展、切实维护农机消费者的合法权益、确保农机安全生产具有深刻的意义。近年来，随着农业机械化促进法的颁布实施和国家各项惠农政策的出台，有力地促进了凤台县农业机械化的快速健康有序发展。随着凤台县农机保有量逐年增加，特别是大中型拖拉机、联合收割机、播种机及配套农机具增加迅速，农机经营维修行业起到了至关重要的作用。
刚度^பைடு நூலகம்与主轴单元的悬伸量、跨距、几何尺寸、主轴
U G 软件建立的三维模型，通过 .SAT文件格式导人 ANSYS中 _ 在建立有限元模型时，为了方便分析，对
主轴部件进行了相应的简化，忽略了主轴的细节，如 :倒角、退刀槽、螺纹等细节因素。这种简化之后对
镗床切削力因与车削力原理相近，并且在机床手册里查不到镗削力计算方法，所以查车床切削力公式典型条件下切削力计算公式可代表镗床切削公式，车床切削力公式典型条件下切削力计算公式为：

HL_46数控车铣复合机床主轴组件的动态优化设计

y1 = Fa 3E I
3
l +1 a
2
式中 : E 为主轴材料的弹性模量 ( N /mm ) ; 4 I为主轴截面的平均惯性矩 ( mm ) , 当主轴 4 4 平均直径为 D、内孔直径为 d 时 , I = ( D - d ) / 64; a 为主轴前端悬伸量 ( mm ) ;
总柔度 y / F 与 l / a 的关系如图 5 中的曲线 c 所示。从图中可见 , 主轴系统存在一个最佳的 l / a 值 , 即主轴组件柔度 y / F 最小 , 刚度最大。当 a 值一定时 , 则存在一个最佳的主轴跨距 l0 , 通常 l / a = 2 ～ 315。从图中可知 , 在 l / a 的最佳值附近 , 柔度变化较小 , 当 l > l0 时 , 柔度的增加比 l < l0 时慢 , 因此 , 在设计时应力争达到最佳跨距 , 若结构不允许 , 则可使跨距略大于最佳值。根据主轴端部的总挠度的计算公式可知 , 当主轴组件的跨距 l为最佳跨距 l0 时 , 应满足 d y / d l = 0, 即
化 , 主轴采用实体单元 , 主轴箱体对主轴的支承折算为轴承刚度的一部分 , 前后滚动轴承分别简化为 4个具有径向刚度的线 [3] 性 - 阻尼单元 , 如图 2 所示 , 前端卡盘和带轮简化为两个集中质量单元作弹簧阻尼单元分布用在主轴前后相应的位置图 2 上。简化后的有限元模型如图 3 所示 , 表 1 为低阶固有频率的计算结果。
图 3 简化的有限元模型图 1 主轴组件装配图表 1 主轴组件前 5 阶模态频率值阶数
1 2 259179 3 375135 4 543162 5 596138
HL 2 46 数控车铣复合机床主轴组件如图 1 所示 ,

车铣复合加工中心的铣削动力轴模态分析

Ｋｙｏｄ：ｕｎｇｍｌｇ；ｏｅ－ｘｉｎ；ｄｌｎｌｉＣｉｃｌｐｅｅｗｒｓｒｉ－ｉｎＰｗｒａｉｍｌｇＭｏａａａｓ；ｒｉｅｄＴｎｌＭＣｉｓｌｉｙｓｔａｓ
中图分类号：Ｈ１３文献标识码：Ｔ３．２Ａ
』
１引言
Ｉ
【要】摘利用ＡＳＳＮＹ软件对车铣复合加工中心的铣削动力轴进行有限元分析。得出前４有１阶固
１频率和振型，通过对固有频率、振型及临界转速的分析，结果表明，铣削动力轴设计合理，其前端的变形？
ｊ是影响加工精度的主要来源，两轴承间的弯曲是影响铣削动力轴刚度和使用寿命的影响因素之一。研究：
第３期２１年３月０１
文章编号：０１３９（０１０ — １９０１０ — ９７２１）３０６ — ２
机械设计与制造
ＭａｈｎｅｙＤｅｉｎｃｉｒｓｇ＆Ｍａｕａｔｅｎｆｃｕｒ１９６
车铣复合；ｔ＿Ｏ＿中心的铣削动力轴模态分析ｆＹ
ｉｃｒｙａｄｈｂｄｇｅｅｎｈｂａｎｓｓｎｏｔｔｓｆｃｎｅｉｄｙｎｅｌ０！ｕ，ｅｅｉｔｅｅｅｒｇｉｏｅｈｆｏｅｉｔｇｉｄｓｕｃｃａａｎｔｎｎｂｗｔｉｅａｒａｔｇｈｒｉｔａｕｆ厂ｆｃｆ
量Ｅ２１ｌＰ，度ＤＮ＝８０ｇ泊松比ＰＸ＝．，Ｘ＝．１ａ密ＥＥＳ７２Ｋ／，ｍＲＹ０它３
是一个带有键槽、螺纹的阶梯轴，为使铣削动力轴的动态设计切实可行，在采用有限元分析软件ＡＳＳＮＹ之前，需对铣削动力轴的结构进行简化：１去除倒角，（）忽略退刀槽、键槽和螺纹；２润滑（）油槽、前端空心部分按实体处理；３铣削动力轴按弹性元件处（）理；４铣削动力轴上的齿轮、（）锁紧螺母等零件简化成集州５０４）１６０

双主轴双刀架精密数控车铣复合加工中心的研究开发

·现代设计与先进制造技术· 31 赵义顺张霖双主轴双刀架精密数控车铣复合加 ……
1 —操纵台； 2 —机床罩壳； 3 —第二主轴驱动（ W 轴）； 4 — 润滑； 5 — 电气柜； 6 — 液压； 7 — 第一主轴（ C1 轴）； 8 — 上刀架； 9 — 上刀架驱动（ X1 、 Z1 轴）； 10 — 下刀架驱动（ X2 、 Z2 轴）； 11 — 床身底座； 12 — 下刀架； 13 — 第二主轴（ C2 轴）； 14 —冷却水箱； 15 —排屑器
摘要：介绍了 1 台新型双主轴双刀架精密数控车铣复合加工中心。详细阐述了加工中心机械主体结构及主要技术参数，建立了加工中心的有限元模型并进行了模态分析，给出了其五阶固有频率和固有振型，并对机床进行了模态分析试验。最后总结了该加工中心开发过程中的相关难点及解决方案。关键词：加工中心； ANSYS；有限元法；模态分析中图分类号：TH122 ；TH161 文献标识码：A 数控机床是现代制造技术的基础装备，其技术水平高低是衡量一个国家工业现代化水平的重要标志。 “ 国家十一五” 期间，将高档数控机床列为国家科技重是作为提高国家竞争力的重要措施。大专项，目前我国中、高档数控机床的总体水平与国外先进水平相比还落后 10 ～ 15 年。主要差距表现在性能、成套性和可靠性等 3 个方面。我机床的档次、们必须认真分析这个差距，找出影响整机可靠性的主要因素，并采取切实有效的措施，提高数控机床的［ 1 ］可靠性水平，逐步缩小与国际先进水平的差距。《国家中长期科学技术发展规划纲要（ 2006 － 2020 年）》在重点领域中确定一批优先主题的同时，围绕国家目标，进一步突出重点，筛选出若干重大战略产品、关键共性技术或重大工程作为重大专充分发挥社会主义制度的优势和市场机制的作项，，用力争取得突破，努力实现以科技发展的局部跃升带动生产力的跨越发展，并填补国家战略空白。在上述基础上实施“高档数控机床与基础制造装备” 科技重大专项，本文就是针对科技重大专项课题产品 CKW1480S 双主轴双刀架精密数控车铣复合加工中心展开了相关研究。文章编号：1672 － 1616 （ 2012 ） 19 － 0030 － 06 列化产品研究与应用（课题编号： 2010ZX04001 － 071 ） ” 的代表产品为 CKW1480S /2000 双主轴双刀架精密数控车铣复合加工中心。图 1 所示为机床整体结构示意图。本产品具有 W 轴， 7 轴控制， 2 组 3 轴联双主轴、双刀架、双 C 轴、全闭环控制。双刀架均为带有具有钻铣动力刀具动，双主轴均为内藏式电主轴，并的车铣复合电动刀架。通过高精度反馈元件进行闭环控制，实现 2 个 C 轴 2 个主轴的分辨率为0． 001°。的高精度分度，双主轴能够连续分度和任意分度定位，能够实现零件加工过程中的飞车接送料，完成复杂回转体零件的一次上料的车削、分度偏心钻削、定位铣削的全部加工工序，实现零件完整意义上的全工序加工（ Complete machining）。工件在 1 台机床上可以完成全部或大上部分工序的加工。先将工件装夹在第一主轴上，刀架或上下刀架同时完成一端的车削加工，一端加工结束后，第二主轴快速前移将工件从第一主轴上接过来，下刀架或上下刀架继续加工工件的另一端。 1 该机床的第一主轴和第二主轴可以同时进行加工，台机床完成 2 台机床的加工工序，加工精度高，效率高。该机床可广泛应用于航空航天、船舶、汽车、发精密模具、军工等行业。电设备、

车铣复合加工中心主轴结构的有限元分析

车铣复合加工中心主轴结构的有限元分析摘要：车铣复合加工中心主轴是系统结构中的关键性零件，机床在运行过程中会受到不同程度的切削力，想要防止机床变形问题的发生率，需要通过科学的结构设置保证机床的刚度，当承受较大的切削力时，依然保有较高的加工精度，降低自激振动问题的发生。

采用有限元分析技术创建系统模型，通过车铣复合加工中心主轴结构的设计调整，对主轴刚度进行分析验算，车铣复合加工中心主要包括单元技术、机床整机技术，其中主轴单元属于单元技术的重要环节。

车铣复合加工中心主轴（电主轴）结构的有限元分析，主要研究目的是提高机床运行的稳定性，保证加工精度和主轴刚度。

关键词：车铣复合加工中心；主轴结构；有限元分析０引言车铣复合加工中心主轴结构包括：主轴电机、主轴和轴承等部分，主轴作为机床的核心部件，其结构性能对在整台机床的运行稳定性有着重要影响，想要全面提高切削速度、保证机械加工精度，就需要建立有限元分析模型，分析主轴结构性能。

主轴结构设计中的技术手段相互制约，解决速度与刚度之间的矛盾，借助有限元分析法的便利性和灵活性，对车铣复合加工主轴结构进行分析，通常情况下安装两个主轴，实现在不停车状态下的自动对接转移，自动化完成绝大部分的工件加工工作，提高加工效率。

１、车铣复合加工中心主轴结构１．１车铣复合加工中心主轴结构结合轴承结构的主要特点，车铣复合加工中心主轴通常只存在径向刚度，简化处理后发现径向压缩弹簧。

车铣复合加工中心主轴简化后的力学模型分析过程中，可以有选择的忽略轴承刚度与转速、负荷之间的关系，假设轴承的刚度为标准常数进行后续的有限元分析工作，这一过程中省略了工作人员的计算量，结合主轴结构类型，主要采用滚动轴承，省略阻力因素分析并不会对最终的分析结果产生影响。

如图1所示，简化主轴刚度细节部位进行整体显示。

１．１．１轴壳在进行主轴结构分析的过程中，轴壳作为主要部件之间，其尺寸与位置会对主轴设计精度产生影响，通过安装过程的查看，设计人员将轴承座孔安装到轴壳上，在进行电机定子安装的过程中，需要保持一端处于开放状态。

1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

元模型进行简化：
是端点动柔度和低阶固有频率对加工中心的性能有很
大影响。因而主轴结构的设计检验方法引起了工程师们的重视。传统的公式法、量法和当量直径法来设计和校能核轴的刚度、转变形和弯曲变形时一般都能满足工扭程上的精度，在实际中应用都受到一定的限制，因但原图１主轴结构简图
ｃｔｇｒｓｏｘｌｓａｅｏｉｆｉ．ｅａｅ
ＫｅｒｓＥ；ｐｉｄｅｓａｉａｉ；ｄｌａｉｙｗｏｄ：ＦＡｓｎｌ；ｔｔｃａｌｓｍｏａａｌｓｎｙｓｎｙｓ
０引言
目前，铣复合加工中心不断向高速度、精度和车高高刚度的方向发展，结构日趋复杂，其工作性能的其对要求越来越高。主轴是加工中心的关键部件，要求既高精度，又要求高刚度，要进行精加工工序，要进既又行一定的粗加工，此，主轴的静、态特性提出了因对动更高的要求。主轴的前端部装有刀头，上刀具直接装参与切削加工，的性能在整机中是举足轻重的，其它尤
维普资讯
２０年第２０６期
文章编号：０ —２６（０６００２１１２５２０）２— ０９—００２
・设计与研究・
车铣复合加＿中心主轴结构的有限元分析｜＝
谢黎明，昌浩，代符卫东
（州理工大学机电工程学院，兰州７０５）兰３、槽，纹孔等均按实体处２润工键螺（主轴作弹性元件处理；３）（主轴上齿轮、紧螺母，间隔套，刀机构组４）锁中拉件等零件简化成集中质量。
计算主轴的刚度、转变形和弯曲可以同时得出多个扭
Ａｂｔａｔｎｔｅｐａｅ，ｔｅｓｉｄｅｒｉｉ、ｅｔｒｉｎｌｅｅｔｎａｄｔｅｂｎｉｇｄｆｃｉｎａｅｏｔｉｅｙｓｒｃ：ＩｈｐｒｈｐｎｌｇｄｔｔｏｓｏａｄｆｃｉｎｈｅｄｎｅｅｔｒｂａｎｄｂｉｙｈｌｏｌｏｕｉｇＡＮＳｈｖｓｉａｉｎｏｅｓｉｄｅｏｒｉｇｍｉｉｇＭｓｎＹＳｉｔｅｉｅｔｔｏｆｔｐｌｆｔｎ－ｌＣ，ｍｅｗｈｌｎｅｓｖｒｕｅｏｍａｎｎｇｈｎｕｎｌｎｎａｉｏｅｇｔａｉｓｄｆｒ－ｅｏ
１建模
１１主轴结构的简化．
图１是铣刀主轴的结构简图，是一个阶梯空心它
轴，使主轴部件的动态和静态设计切实可行，用有为采限元分析软件ＡＮＳＹＳ分析之前，要对主轴部件有限需
ｔｎｆｒｍｕｔｓｃｉｎｅａｔｄｓｉｏｌ－ｅｔｘｃｌａｉｌｅｕｌＳｃｉｄｏａｙｉｐｏｅｓＣｌｏｂｓｄｉｈｔｅｏｉｏｙｎｍｕｔｏｓｙ．ｕｈｋｆａｌｓｓｒｃｓａａｅｕｅｔｅｏｈｎａｎｎｎｓｎｒ
截面的多种变形，给再设计和修改提供可靠的依据。
设计计算。
关键词：限元分析；轴；态分析；态分析有主静模
中图分类号：Ｇ５Ｔ６９文献标识码：Ａ
ＦＥＡｆＳｉｄｅＳｒｃｕｅｆｒＴｕｎｎ－ｌｎＣｏｐｎｌｔｕｔｒｏｒｉｇｍｉｉｇＭｌＸＩｉｎＤｈｎ — ａＥＬ－ｇ，ＡＩＣａｇｈｏ，Ｆｅ — ｏｇｍｉＵＷｉｎｄ
（）角简化成直角，略空刀槽；１倒忽
在于这些方法计算都较为繁琐。弯曲变形一次只能计
算某一截面，果有多个截面都需要校核，设计周期如则长、作量非常大。这时利用有限元分析软件ＡＮＳ工ＹＳ
（ｏｅｅｏＭｅｈｎ — ｌｔｎｃＥｇｅｒｇａｚｏｎｖｒｉｆｅｈｏｇ，ａｚｏ３００ＣｉａＣｌｇｆｃａｏＥｅｒｉｎｉｅｉ，ＬｎｈｕＵｉｓｙｏｃｎｌｙＬｎｈｕ７０５，ｈｎ）ｌｃｏｎｎｅｔＴｏ
摘要：铣复合加工中心主轴的设计中，用ＡＮＹＳ软件对主轴结构进行有限元分析，算主轴的刚度、车利Ｓ计扭转变形和弯曲变形，以准确地同时得出多个截面的多种变形。该方法同样适用于其它轴类零件的可