浅析利用ANSYS软件合理设计机床主轴支撑跨距.pdf

D e s ig n 0 n d R e s e a rc h 设计与研究 浅析利用 ANS Y S软件合理设计机床主轴支撑跨距 张振 山 丁凯军 郑越超 陈文杰 河北机 电职业技术学院， 河北 邢 台 0 5 4 0 4 8 摘要 主要介绍 了在机床设计时， 利用 A NS YS软件分析技术 ， 合理计算主轴支撑跨距的步 骤、 方法， 以图 示的方法进行数据分析 ， 并对结果进行 了分析 ， 从而提高机床的使用性能。 关键词 机床主轴支撑跨距几何建模分析 An a l y s i s o f De s i g n Th e Ma c h i n e To o l Sp i n d l e Su p p o r t e d Sp a n Ra t i o n a l l y Us i n g ANSYS So f t wa r e Z H A N G Z h e n s h a n ，D I N G K a i j u n ， Z H E N G Y u e c h a o ， C H E N We n j i e He b e i Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l P r o f e s s i o n a l T e c h n o l o g y I n s t i t u t e ， X i n g t a i 0 5 4 0 4 8 ， C H N Abs t r a c t Th i s pa p e r d e s c r i be s t h e ma c h i n e t o o l d e s i g n，u s i n g ANS YS s o f t wa r e a n a l y s i s t e c h n i q u e s ，s u p po se d b y a r e a s o n a b l e c a l c u l a t i o n o f s p i n d l e s pa n t h e s t e p s，me t h o d s a n d wa y s o f b e i n g r e p r e s e n t e d g r a p h i c a l l y d a t a a n a l y s i s ，a n d t h e r e s u l t s i s a n a l y z e d S O a s t o e n ha n c e t he u s e o f ma c hi ne p e r f o r ma n c e ． Ke ywo r d s Ma c h i n e To o l S p i nd l e；S u p p o S pa n；Ge o me t r i c Mo d e l i n g；Ana l y s i s 金属切削加工 中， 机床主轴 与工件 、 刀具 、 夹具组 成工艺系统 ， 影响加工过程。机床 主轴支承跨距对工 艺系统刚性 、 主轴前端切削点处变形影响较大 ， 如果设 计不合理 ， 将严重影 响机床切削性能。因此在设计时 ， 利用成熟的软件技术 ， 通过动态优化 的方法来研究 主 轴支承跨距对主轴的静 、 动态特性及灵敏度变化规律 ， 从而合理确定支撑跨距 ， 在机床设计 中就显得意义重 大 。 a机床主轴 b 主轴实体 图 1 主轴实 体简化模 型 I篓 ⋯ u 1 分析步骤 1 使用 P r o ／ E或其 它三维 C A M 软件为机床 主 轴 图 1 a 建立三维几何模型 ， 经过简化处理后 的主轴 实体模型如 图 1 b所示 。 图2 主 轴部件 有限元模 型 2 把主轴实体模型导人 A N S Y S有 限元软件 ， 转 成有 限元模型 图 2 。分析时对主轴统一采用实体单 元来划分 ， 主轴与主轴箱体之间的连接采用线性 弹簧 一 阻尼单元来 模拟滚动轴 承的连接 ， 将 主轴箱体刚度 折算到主轴轴承刚度 上 ； 卡盘和带轮在本文计算 中简 化为两个集 中质量单元分别作用于主轴上 。计算中实 体单元采用 S O L I D 4 5单元 ， 该单元节点所对应 的 自由 度为 U X、 U Y 、 U Z， 与线性 弹簧 一 阻尼单元 的节 点 自由 度 一致。 整个结构一共划分 了6 8 7 6 0 个实体单元、 5 9 设计与研究 D e s ig n a n d R e s e a r c h 8个弹簧一 阻尼单元和 2个集中质量单元 ， 实体单元 的 划分由计算机 自动完成 。 3 计算 时 ， 主轴 的 支承跨距 分 别取 2 7 0、 2 9 0、 3 1 0、 3 3 1 、 3 5 0、 3 7 0 m m， 然后 ， 进行有限元静力 、 模态分 析计算 。根据计算结果利用 MA T L A B软件通过样 条 曲线插值画出跨距对主轴性能的影响变化 曲线 图 3 6 ， 分别为主轴跨距对 主轴前端静变形 、 前 3阶固 有频率的影响变化曲线。 各 一 L 一 ． ， ＼ ／ 一 ～ 27 0 2 8 0 2 90 3 00 31 0 3 2 0 3 30 34 0 3 50 36 0 3 7 0 跨 距L ／ mm 图3 主轴前端静变形相对主轴跨距的变化曲线 300 粹 骚 拉 匿 2 5 0 目 吕 j璺 堑 馏 罾 避 弋 斗 一 一 r ’ ／ ／ ／ r ／ ／ ／ ／ ．／ ／ l／ ／ ／ 11 阶 } I ． 一 ---* - -3 阶 } l一 十 一 27 0 2 8 0 2 90 3 00 3i 0 3 2 0 3 303 4 0 3 50 36 0 37 0 跨距 L ／ mm 图4 主轴 固有频 率相对主轴 跨距的变化 曲线 O L J L 』 L 』 J L 1 一 2 7 0 2 80 2 90 3 00 31 0 3 2 0 33 03 4 0 35 0 36 0 3 70 跨距L ／ mm 图5 主轴Y 向谐响应峰值对主轴跨距的变化曲线 60 吕 吕 遥 磐 售 蜜 星 N ＼ 。 二 、 } ⋯ ＼ ／ { 一 、 、 _ d ～ 跨距L ／ mm 图6主轴z 向谐 响应蜂值 对主轴跨距 的变 化 曲线 2 结果分析 1 由主轴前端静态变形相对跨距的灵敏度变化 曲线 图 3 可知 ， 该主轴的最优跨距为 3 3 0～ 3 4 5 m m 左右 ， 原主轴跨距为 3 3 I mm， 位 于最优跨距范 围， 因 此 ， 该机床 的主轴跨距设计基本上是合理 的。 2 随着跨距 的增大 ， 主轴部件 的第 1 、 2阶固有 频率呈线形增大的变化趋势 ， 而第三阶固有频率没有 大的变化 图 4 。 3 主轴前端 l ， 方向上的响应峰值第 2 、 3阶相差 较大 第 3阶响应峰值约为第 2阶的 5倍 ， 增大主轴 跨距虽然使第二阶谐振峰值略有上升， 但可以使薄弱 模态 y向第三阶模态的谐振峰值有所下 降， l t n 将跨 距从 3 3 1 mi l l 增大到 3 4 0 m m， 则该阶模态的谐振峰值 约可降低 1 ． 5 ira 图 5 。 4 在主轴前端 Z方 向上 ， 第 2 、 3阶模 态的谐响 应峰值都很小 ， 且在跨距为 3 3 13 4 0 mm之间变化不 大 图 6 。 5 归纳上述 4点， 可知 当前跨距能够基本满足 主轴部件静态特性要求 ， 而且 z方 向上 的动态特性也 令人满意， 但是从提高 y方 向第 3阶模 态的动柔度特 性来看 ， 可以将主轴跨距适 当增加到 3 4 0 n l m。 参考文献 [ 1 ] 钟 日铭． P r o ／ E N G I N E E R野火版工业设计经典 手册[ M] ． 北京 邮电 出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 2 ] 王湘江． 综合运用 C A X A、 P r o E E N G I N E E R和 AN S Y S优化设计齿轮 [ J ] ． C A D C A M 与制造业信息化 ， 2 0 0 6 6 ． 第一作者 张振 山， 男， 1 9 7 6年 生， 硕士生， 讲 师， 研 究方 向为先 进制 造技 术 。 编辑周富荣 收修改稿 日期 2 0 0 9 1 2 0 4 文章编号 1 0 4 1 9 如果您想发表对本文的看法． 请将文章编号填入读者意见调查表中的相应位置。 LU 等 0u 平 弟 删 6 4 2 1 8 6 4 2 1 1 1 O 0 O 0