1、v1.0可編輯可修改機床主軸有限元分析基于ansys的機床主軸有限元分析摘 要：隨著高速數控機床的不斷發(fā)展，對數控機床主軸的性能要求也開始逐漸提高。機床主軸的動靜態(tài)性能直接影響加工系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性，因此，在設計階段必須對其機床主軸進行相關的性能校核。利用有限元分析軟件ANSYS某機床主軸進行相應的分析，對其性能進行研究。關鍵詞：ANSYS主軸，有限元分析。研究內容0.3, 52問題描述：機床主軸材料為45號鋼，彈性模量為X,泊松比為幾何參數如下圖。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，靜力學分析實際上是為 了得到

2、機床主軸在一定靜態(tài)載荷作用下所產生的變形量。在實際生產條件下，機 床的主要失效形式大部分是由于機床的剛度不足而引起。所以主軸靜剛度的計算就顯得尤為重要。所謂的主軸靜剛度實際上就是主軸的剛度，是機床主軸一個非常重要的性能 指標，它直接反映出主軸負擔載荷與抵抗振動的能力。如果主軸的靜剛度不足，主軸在切削力的作用下，會產生較大的變形量，并可能引起振動。這樣不僅會降低 機床的加工精度、增大加工工件表面的粗糖度；也會對軸承造成較大磨損，破壞主 軸系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，主軸的靜剛度是衡量機床性能的重要指標。主軸的彎曲剛度的定義可以理解為：使主軸前端產生單位徑向變形時，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，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、準確、有效地對主軸進行特性分析，需要對機床主軸進行相應的 簡化。對主軸的簡化應Ig遵循以下原則：(1)忽略對分析結果影響不大的細小特征，如倒角、倒圓等；(2)對模型中的錐度和曲率曲面進行直線化和平面化的處理；(3)忽略對主軸靜態(tài)特性影響不大的零部件結構。在建立主軸的三維模型時可以采用兩種方式。 一種方法是在三維實體造型軟 件中建立三維模型，然后導入到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 在通用三維設計軟件PRO/次件建模，如圖所示圖2主軸三維模型將其導入到ANSY即進行力學分析，導入后模型如圖所示劃分網絡設置網絡： 單擊preprocessor -meshingmeshtool,如圖所示，在彈 出的對話框如圖 meshtool中選擇smartsize,6 級精度，單擊mesh,選擇所要劃 分的主軸。estiTool目 Preferences臼 Preproc«ssoT 國 EleAen-t Type + Real Constants E Vatexd4l Fxops

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

6、1712:20s dt圖4主軸網格模型S Path OpeTalions進入求解器，施加邊界條件及計算采用彈黃阻尼單元等效軸承時，需將軸承簡化為沿機床主軸周向均勻分布的 四根彈簧支承，主軸系統(tǒng)中含有前后兩個軸承，因此共需設置8根彈黃支承。這些 彈黃蘋元共有8個內圈節(jié)點和8個外圈節(jié)點，對于內圈節(jié)點，約束其軸向自由度； 對于外圈節(jié)點，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，以保證加載的準確。建立完成的三維有限元靜力分析模型中共含有24164個單元,27428個節(jié)點ANSYSKI/.CJ

7、JAN ? 2J1712125:29圖5 主軸加載示意圖單擊 main menu/preprocessor/solve/current ls ,經過一段時間后，彈出一個命令框（如圖23所示），顯示solution is done!',至此求解完畢。圖6計算結束示意圖計算結果分析1.仿真計算分析- *« °= 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 理論方程和ANSYST限元分析軟件的基本分析流程。重點介紹了利用ANSY馱件 建立機床主軸的三維有限元分析模型的方法，最終得到較為精