機(jī)床主軸有限元分析

1、v1.0可編輯可修改機(jī)床主軸有限元分析基于ansys的機(jī)床主軸有限元分析摘 要：隨著高速數(shù)控機(jī)床的不斷發(fā)展，對(duì)數(shù)控機(jī)床主軸的性能要求也開始逐漸提高。機(jī)床主軸的動(dòng)靜態(tài)性能直接影響加工系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性，因此，在設(shè)計(jì)階段必須對(duì)其機(jī)床主軸進(jìn)行相關(guān)的性能校核。利用有限元分析軟件ANSYS某機(jī)床主軸進(jìn)行相應(yīng)的分析，對(duì)其性能進(jìn)行研究。關(guān)鍵詞：ANSYS主軸，有限元分析。研究?jī)?nèi)容0.3, 52問題描述：機(jī)床主軸材料為45號(hào)鋼，彈性模量為X,泊松比為幾何參數(shù)如下圖。1(1011m I II I I I圖i主軸示意圖主軸靜態(tài)特性的基本概念主軸的靜態(tài)特性反映了主軸抵抗靜態(tài)外載荷的能力，靜力學(xué)分析實(shí)際上是為 了得到

2、機(jī)床主軸在一定靜態(tài)載荷作用下所產(chǎn)生的變形量。在實(shí)際生產(chǎn)條件下，機(jī) 床的主要失效形式大部分是由于機(jī)床的剛度不足而引起。所以主軸靜剛度的計(jì)算就顯得尤為重要。所謂的主軸靜剛度實(shí)際上就是主軸的剛度，是機(jī)床主軸一個(gè)非常重要的性能 指標(biāo)，它直接反映出主軸負(fù)擔(dān)載荷與抵抗振動(dòng)的能力。如果主軸的靜剛度不足，主軸在切削力的作用下，會(huì)產(chǎn)生較大的變形量，并可能引起振動(dòng)。這樣不僅會(huì)降低 機(jī)床的加工精度、增大加工工件表面的粗糖度；也會(huì)對(duì)軸承造成較大磨損，破壞主 軸系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，主軸的靜剛度是衡量機(jī)床性能的重要指標(biāo)。主軸的彎曲剛度的定義可以理解為：使主軸前端產(chǎn)生單位徑向變形時(shí)，變形方 向上所需施加的力F,即：主軸的靜

3、剛度，分為軸向靜剛度與徑向靜剛度，上面提到的彎曲剛度實(shí)際上 就是徑向靜剛度。通常情況下，軸向剛度沒有彎曲剛度重要。彎曲剛度是衡量主 軸剛度的重要指標(biāo)，通常用來代指主軸的剛度。1.主軸有限元模型的建立及邊界條件的處理為了真實(shí)、準(zhǔn)確、有效地對(duì)主軸進(jìn)行特性分析，需要對(duì)機(jī)床主軸進(jìn)行相應(yīng)的 簡(jiǎn)化。對(duì)主軸的簡(jiǎn)化應(yīng)Ig遵循以下原則：(1)忽略對(duì)分析結(jié)果影響不大的細(xì)小特征，如倒角、倒圓等；(2)對(duì)模型中的錐度和曲率曲面進(jìn)行直線化和平面化的處理；(3)忽略對(duì)主軸靜態(tài)特性影響不大的零部件結(jié)構(gòu)。在建立主軸的三維模型時(shí)可以采用兩種方式。 一種方法是在三維實(shí)體造型軟 件中建立三維模型，然后導(dǎo)入到ANSYSC件中；另外一

4、種方法是直接在 ANSY軟件 中建立，有限元分析模型。兩種方法各有利弊，適用于不同的情況。本文選擇先 在通用三維設(shè)計(jì)軟件PRO/次件建模，如圖所示圖2主軸三維模型將其導(dǎo)入到ANSY即進(jìn)行力學(xué)分析，導(dǎo)入后模型如圖所示劃分網(wǎng)絡(luò)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)： 單擊preprocessor -meshingmeshtool,如圖所示，在彈 出的對(duì)話框如圖 meshtool中選擇smartsize,6 級(jí)精度，單擊mesh,選擇所要?jiǎng)?分的主軸。estiTool目 Preferences臼 Preproc«ssoT 國(guó) EleAen-t Type + Real Constants E Vatexd4l Fxops

5、E Sections國(guó) Kodelj.ng Beshin國(guó) Vest) A-tiTibn-t es 囪, Size CutiIs 因 Kesher Opts 國(guó) Concert «ia± « E leshE Vodify l«sh 國(guó) Check BeshS CleaxE Checking ClrlsE NnabeTin CtrlsS Archive lc4el 國(guó) Coupling / Cqn 田 FLOTKMI Set Up 國(guó) FSI Set UpE Vult iFleld Set Up 國(guó) Loads 國(guó) PhysicsANSYSJAN 1 20

6、1712:20s dt圖4主軸網(wǎng)格模型S Path OpeTalions進(jìn)入求解器，施加邊界條件及計(jì)算采用彈黃阻尼單元等效軸承時(shí)，需將軸承簡(jiǎn)化為沿機(jī)床主軸周向均勻分布的 四根彈簧支承，主軸系統(tǒng)中含有前后兩個(gè)軸承，因此共需設(shè)置8根彈黃支承。這些 彈黃蘋元共有8個(gè)內(nèi)圈節(jié)點(diǎn)和8個(gè)外圈節(jié)點(diǎn)，對(duì)于內(nèi)圈節(jié)點(diǎn)，約束其軸向自由度； 對(duì)于外圈節(jié)點(diǎn)，約束其所有的自由度。由于本文中不考慮軸承的交叉剛度和交叉 阻尼，因此不采用交叉彈簧的布局。將切削力加載到機(jī)床主軸的軸端，注意加載方向要通過加載平面的圓心，以保證加載的準(zhǔn)確。建立完成的三維有限元靜力分析模型中共含有24164個(gè)單元,27428個(gè)節(jié)點(diǎn)ANSYSKI/.CJ

7、JAN ? 2J1712125:29圖5 主軸加載示意圖單擊 main menu/preprocessor/solve/current ls ,經(jīng)過一段時(shí)間后，彈出一個(gè)命令框（如圖23所示），顯示solution is done!',至此求解完畢。圖6計(jì)算結(jié)束示意圖計(jì)算結(jié)果分析1.仿真計(jì)算分析- *« °= Ji.*X加載力F (N50100150200300400500有限元中的變形量6 ( n mj)3691215IMI«. »»tl Jfl： >.注 )I. B5TE4主軸承受不同的剪切力后，起變形情況也發(fā)生變化，如下表及變形云圖所示。jusrscryrrrmMT耳fflM5 t U K IQJE I木如浙:19 IUSZR rJDfGI*Ash 口OU *-ll9IHl圖7 變形云圖可以看到主軸的變形主要發(fā)生在主軸的前端部分 ，后面變形較小。而主軸的主 要變形方向沿著Z軸的負(fù)方向，主軸的最大變形和最小變形的方向相同，因此可 以判定主軸發(fā)生彎曲變形。結(jié)論本文主要介紹了主軸靜態(tài)特性的基本概念、 有限元方法在求解問題中的相關(guān) 理論方程和ANSYST限元分析軟件的基本分析流程。重點(diǎn)介紹了利用ANSY馱件 建立機(jī)床主軸的三維有限元分析模型的方法，最終得到較為精