机床主轴有限元分析

1、v1.0可编辑可修改机床主轴有限元分析基于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0.3, 52问题描述：机床主轴材料为45号钢，弹性模量为X,泊松比为几何参数如下图。1(1011m I II I I I图i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

2、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：主轴的静

3、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Ig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ANSYSC件中；另外一

4、种方法是直接在 ANSY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/次件建模，如图所示图2主轴三维模型将其导入到ANSY即进行力学分析，导入后模型如图所示划分网络设置网络： 单击preprocessor -meshingmeshtool,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。estiTool目 Preferences臼 Preproc«ssoT 国 EleAen-t Type + Real Constants E Vatexd4l Fxops

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

6、1712:20s dt图4主轴网格模型S Path OpeTalions进入求解器，施加边界条件及计算采用弹黄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 四根弹簧支承，主轴系统中含有前后两个轴承，因此共需设置8根弹黄支承。这些 弹黄苹元共有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ANSYSKI/.CJ

7、JAN ? 2J1712125:29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- *« °= Ji.*X加载力F (N50100150200300400500有限元中的变形量6 ( n mj)3691215IMI«. »»tl Jfl： >.注 )I. B5TE4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。jusrscryrrrmMT耳fflM5 t U K IQJE I木如浙:19 IUSZR rJDfGI*Ash 口OU *-ll9IHl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ANSYST限元分析软件的基本分析流程。重点介绍了利用ANSY驮件 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