机床主轴有限元分析

发布时间:2021-08-01 04:22:43

机床主轴有限元分析
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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*锥伪匦攵云浠仓髦峤邢喙氐男阅苄:恕@糜邢拊治鋈砑嗀NSYS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 2.06×10 5 N.mm 2 ,泊松比 为 ? ? 0.3,几何参数如下图。
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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:
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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*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
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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。
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图 4 主轴网格模型
6

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*矫娴脑残,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
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计算结果分析

1.仿真计算分析

主轴承受不同的剪切力后,起变形情况也发生变化,如下表及变形云图所示。

加载力 F(N) 50 100 150

200

300 400

500

有限元中的变 1.5

3

4.5

6

9

12

15

形量δ(?m)

8

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
9

[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
10


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