机床主轴有限元分析报告

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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关的性能校核。利用有限元分析软件ANSYS对某机床主轴进行相应的分析，对其性能进行研究。

关键词 :ANSYS，主轴，有限元分析。

研究内容

问题描述：机床主轴材料为45号钢，弹性模量为2.06×105N.mm2，泊松比μ，几何参数如下图。

为3.0

=

图 1 主轴示意图

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。

在建立主轴的三维模型时可以采用两种方式。一种方法是在三维实体造型软件中建立三维模型,然后导入到ANSYS软件中;另外一种方法是直接在ANSYS软件中建立，有限元分析模型。两种方法各有利弊,适用于不同的情况。本文选择先在通用三维设计软件PRO/E软件建模，如图所示

图 2 主轴三维模型

将其导入到ANSYS中进行力学分析，导入后模型如图所示

图 3 主轴ANSYS模型

划分网络

设置网络：单击→preprocessor→meshing→meshtool,如图所示，在弹出的对话框如图meshtool中选择smartsize,6级精度，单击mesh,选择所要划分的主轴。

图 4 主轴网格模型

进入求解器，施加边界条件及计算

采用弹黃阻尼单元等效轴承时,需将轴承简化为沿机床主轴周向均匀分布的四根弹篑支承,主轴系统中含有前后两个轴承,因此共需设置8根弹黃支承。这些弹黃苹元共有8个内圈节点和8个外圈节点,对于内圈节点,约束其轴向自由度;对于外圈节点,约束其所有的自由度。由于本文中不考虑轴承的交叉刚度和交叉阻尼,因此不采用交叉弹簧的布局。

将切削力加载到机床主轴的轴端,注意加载方向要通过加载平面的圆心,以保证加载的准确。建立完成的三维有限元静力分析模型中共含有24164个单元,27428个节点

图 5 主轴加载示意图

单击main menu/preprocessor/solve/current ls，经过一段时间后，弹出一个命令框（如图23所示），显示‘solution is done!’,至此求解完毕。

图 6 计算结束示意图

计算结果分析

1.仿真计算分析

加载力F（N）50 100 150 200 300 400 500

1.5 3 4.5 6 9 12 15 有限元中的变

形量δ（µm）

图 7 变形云图

可以看到主轴的变形主要发生在主轴的前端部分,后面变形较小。而主轴的主要变形方向沿着Z轴的负方向,主轴的最大变形和最小变形的方向相同,因此可以判定主轴发生弯曲变形。

结论

本文主要介绍了主轴静态特性的基本概念、有限元方法在求解问题中的相关理论方程和ANSYS有限元分析软件的基本分析流程。重点介绍了利用ANSYS软件建立机床主轴的三维有限元分析模型的方法 ,最终得到较为精确的主轴有限元分析模型,并对主轴的静刚度进行了研究。

参考文献

[1] 廖日东，《有限元原理简明教程》

[2] 濮良贵，纪名刚，机械设计[M],高等教育出版社

[3] 付华主轴部件的动态特性分析及动力修改

[4]朱江洪不同预载下的球轴承变形的程序设计

[5]簧旭东主轴部件的静态特性实验研究