1、 機床主軸有限元分析9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。機床主軸的動靜態性能直接影響加工系統的精度和穩定性，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對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 問題描述：機床主軸材料為45號鋼，彈性模量為2.06×10N.mm，泊松比為，幾何參數如下圖。圖 1 主軸示意圖 主軸靜態特性的基本概念 主軸的靜態特性反映了主軸抵抗靜態外載荷的能力,靜力學分析實際上是為了得到機床主軸在一定靜態

2、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,破壞主軸系統的穩定性。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: 主軸的靜剛度,分為軸向靜剛度與

3、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。對主軸的簡化應該遵循以下原則:(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ANSYS軟件中;另外一種方法是直接在ANSYS軟件中

4、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/E軟件建模，如圖所示圖 2 主軸三維模型將其導入到ANSYS中進行力學分析，導入后模型如圖所示圖 3 主軸ANSYS模型 劃分網絡 設置網絡：單擊preprocessormeshingmeshtool,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。 圖 4 主軸網格模型 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簣支承,主軸系統中含有前后兩個軸承,因此共需設置8根彈黃支承。

5、這些彈黃蘋元共有8個內圈節點和8個外圈節點,對于內圈節點,約束其軸向自由度;對于外圈節點,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個節點圖 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

6、主軸承受不同的剪切力后，起變形情況也發生變化，如下表及變形云圖所示。加載力F（N）50100150200300400500有限元中的變形量（µm）1.534.5691215圖 7 變形云圖 可以看到主軸的變形主要發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生彎曲變形。結論本文主要介紹了主軸靜態特性的基本概念、有限元方法在求解問題中的相關理論方程和ANSYS有限元分析軟件的基本分析流程。重點介紹了利用ANSYS軟件建立機床主軸的三維有限元分析模型的方法 ,最終得到較為精確的主軸有限元分析模型,并對主軸的靜剛度進行了研究。參考文獻1 廖日