機(jī)床主軸部件變形的分析與防范

機(jī)床主軸部件變形的分析與防范

主電源是床上的重要零件之一。它的性能直接影響到計(jì)算機(jī)的效率和壽命。一個(gè)性能好的機(jī)床主軸必須滿足一定的剛度要求,而決定剛度的重要因素是主軸的結(jié)構(gòu)參數(shù),所以對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是非常必要的。以往國內(nèi)的機(jī)床設(shè)計(jì)一般采用外推或類比法進(jìn)行機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),計(jì)算結(jié)果只用于結(jié)構(gòu)性能的定性分析和比較,安全系數(shù)較大,依靠以往的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行局部修正,無法進(jìn)行整體優(yōu)化設(shè)計(jì),很難發(fā)揮材料的潛能,機(jī)床結(jié)構(gòu)的性能也難以提高。但是,利用有限元法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),能做出符合實(shí)際的預(yù)測并提出改進(jìn)方向,是提高產(chǎn)品一次設(shè)計(jì)的成功率的有效分析方法?，F(xiàn)代機(jī)床正朝著高效、高精度和高性能方向發(fā)展,主軸作為機(jī)床的關(guān)鍵部件之一,直接參與機(jī)床對工件的加工,其動(dòng)態(tài)特性的好壞對機(jī)床切削加工的穩(wěn)定性和加工精度有很大的影響。機(jī)床產(chǎn)品主軸部件靜、動(dòng)態(tài)特性的分析及其結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究在機(jī)床設(shè)計(jì)中占據(jù)重要的地位。主軸部件是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng),其靜、動(dòng)態(tài)特性的改善涉及到多目標(biāo)的優(yōu)化,需要對各性能指標(biāo)進(jìn)行綜合評(píng)定。隨著現(xiàn)代工業(yè)對機(jī)床加工精度和加工效率要求的不斷提高,機(jī)床對主軸性能的要求也更高———寬轉(zhuǎn)速范圍、高精度、高剛度、振動(dòng)小、變形小、噪聲低,而且要求具有良好的抵抗受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)的能力。上述文獻(xiàn)是不同學(xué)者對主軸各個(gè)方面進(jìn)行的分析。本文應(yīng)用ANSYSWorkbench有限元軟件對專用機(jī)床主軸進(jìn)行精力分析,對主軸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。應(yīng)用有限元分析軟件ANSYSWorkbench對主軸進(jìn)行有限元建模,通過加載彎矩,得到主軸應(yīng)力應(yīng)變分布圖,減輕主軸的質(zhì)量。在保證主軸強(qiáng)度性能的情況下,實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化主軸的目的。1主殼體的結(jié)構(gòu)圖1是某型專用機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)簡圖。在設(shè)計(jì)過程中,為確定合適的主軸軸向長度,利用有限元法對其進(jìn)行仿真模擬分析,以選取合理的數(shù)據(jù)。2構(gòu)有限元法計(jì)算模型的問題用有限元法分析結(jié)構(gòu)的性能,建立準(zhǔn)確而可靠的結(jié)構(gòu)有限元法計(jì)算模型,是一項(xiàng)極為重要的工作。應(yīng)用ANSYSWorkbench軟件的有限元建模分為兩步:實(shí)體模型的建立和有限元模型的建立。2.1建立主軸部件的幾何模型建立模型又稱為建立幾何求解域。模型是分網(wǎng)的基礎(chǔ),模型是否合理對分網(wǎng)過程有著直接的影響。使用ANSYSWorkbench軟件建立主軸部件的幾何模型比較困難,本文使用Pro/E軟件進(jìn)行主軸部件的幾何建模,然后導(dǎo)入ANSYSWorkbench有限元軟件轉(zhuǎn)成有限元模型。在建立實(shí)體模型時(shí),為了便于后續(xù)的有限元分析,對主軸部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化,略去對應(yīng)力分析影響不大的圓角、倒角等,簡化后的主軸實(shí)體模型如圖2所示。2.2pro/e網(wǎng)格劃分有限元分析的仿真精度取決于有限元模型,因此,建立的模型必須如實(shí)反映主軸部件的力學(xué)特性。運(yùn)用Pro/E軟件完成主軸建模之后,按照Parasolid標(biāo)準(zhǔn)輸出“.x_t”文件,導(dǎo)入在ANSYSWorkbench環(huán)境下進(jìn)行網(wǎng)格劃分。設(shè)置單元大小為8mm生成網(wǎng)格。主軸模型網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示。共有39539個(gè)單元,60068個(gè)節(jié)點(diǎn)。主軸的有限元模型如圖3所示。3模型加載約束和載荷在本主軸系統(tǒng)中,主軸材料選用為45Φ鋼,材料屬性:彈性模量為210GPa,密度為7.85g/cm3,泊松比為0.3。其許用應(yīng)力為60MPa。在對模型施加約束和載荷時(shí),應(yīng)按照實(shí)際情況進(jìn)行,這樣才能保證計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確。根據(jù)情況加載位置有三處:一是,主軸鍵槽,施加的是固定約束;二是,主軸和軸承接觸的表面,施加的是圓柱面約束;三是,主軸表面施加力矩,載荷還有重力加速度。這樣的約束和加載方式是符合實(shí)際情況的。式中:T為力矩,N.m;p為主軸傳遞功率,kW;n為主軸轉(zhuǎn)速,r/min。將有關(guān)參數(shù)代入式(1),得:4主軸應(yīng)力分析當(dāng)主軸系統(tǒng)確定后,需對主軸進(jìn)行驗(yàn)算,校核其是否滿足工作要求。已知軸的彎矩和扭矩后,可針對某些危險(xiǎn)截面(即彎矩和扭矩大而軸徑可能不足的截面)做彎扭合成強(qiáng)度校核計(jì)算。按第三強(qiáng)度理論,計(jì)算應(yīng)力對于直徑為d的圓軸,彎曲應(yīng)力為則軸的彎矩合成強(qiáng)度條件為:式中,σca為軸的計(jì)算應(yīng)力,MPa;M為軸所受的彎矩,N.m;T為軸所受的扭矩,N.m;W為軸的抗彎截面系數(shù),mm3。將有關(guān)參數(shù)代入式(2)驗(yàn)證主軸強(qiáng)度符合要求。應(yīng)用ANSYSWorkbench軟件對主軸進(jìn)行有限元仿真分析求解,從而得出結(jié)果。最終得出主軸應(yīng)力應(yīng)變云圖,如圖4和圖5所示。從圖4和圖5中可以看出,主軸應(yīng)力最大值為24MPa,45鋼的屈許用應(yīng)力為60MPa,即使考慮應(yīng)力集中的情況,根據(jù)第四強(qiáng)度理論,主軸強(qiáng)度依然滿足要求。主軸應(yīng)變最大值為0.21μm。改進(jìn)設(shè)計(jì)方案后的主軸結(jié)構(gòu),在強(qiáng)度與精度上均達(dá)到了較好的效果,通過理論分析與實(shí)踐驗(yàn)證,設(shè)計(jì)合理。5建立主軸模型本文以專用機(jī)床主軸為研究對象,運(yùn)用Pro/E軟件建立三維實(shí)體模型,利用有限元分析軟件ANSYSWork