机床主轴有限元分析

1、 机床主轴有限元分析9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2.06×10N.mm，泊松比为，几何参数如下图。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

2、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

3、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

4、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preprocessormeshingmeshtool,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。

5、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

6、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）50100150200300400500有限元中的变形量（µm）1.534.5691215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