机床主轴的SolidWorks建模与有限元分析.pdf

2 0 1 3年 1 1 月 第 4 1 卷 第 2 1 期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I C S NO V ． 2 01 3 Vo 1 ． 41 No ． 21 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 2 1 ． 0 3 4 机床主轴的 S o l i d Wo r k s 建模与有限元分析 刘丹萍 ，蒋占四 ，冯建国 ，胡志鹏 1 ．桂林 电子科技大学机电工程学院，广西桂林 5 4 1 0 0 4 ； 2 ．桂林机床股份有限公 司，广西桂林 5 4 1 0 0 4 摘要机床主轴是机床的核心部件之一，使用 S o l i d Wo r k s 建立数控机床主轴的三维实体模型，利用 S o l i d Wo r k s 与 A N S Y S之间的数据交换，将其导入 A N S Y S中，弥补了A N S Y S在进行复杂结构建模时的局限性。建立了有限元分析模型，对 机床主轴进行静力分析 ，研究机床在切削力载荷工况作用下的最大应力及变形；对机床主轴进行模态分析，分析主轴振型 对加工精度的影响。研究结果为进一步提高主轴精度以及转速等提供了依据。 关键词机床主轴；静力分析；模态分析 中图分类号 T P 3 9 1 ． 9 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 2 1 1 2 3 3 S o l i d W o r ks M o d e l i ng a n d Fi n i t e El e me nt Ana l y s i s f o r M a c h i n e To o l S pi nd l e L I U D a n p i n g ，J I ANG Z h a n s i ，F E NG J i a n g u o ，HU Z h i p e n g 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ，G u i l i n U n i v e r s i t y o f E l e c t r o n i c T e c h n o l o g y ， Gu i l i n Gu a n g x i 5 41 00 4，Ch i n a； 2 ． G u i l i n Ma c h i n e T o o l C o ． ，L t d ．，Gu i l i n Gu a n g x i 5 4 1 0 o 4，C h i n a Ab s t r a c t T h e ma c h i n e s p i n d l e i s o n e o f t h e c o r e c o mp o n e n t s o f t h e ma c h i n e ．S o l i d W o r k s wa s u s e d t o e s t a b l i s h t h e 3 D mo d e l o f a C NC ma c h i n e t o o l s p i n d l e ．T h e d a t a e x c h a n g e b e t we e n S o l i d W o r k s a n d ANS YS wa s u s e d t o i mp o r t a S o l i d W o r k s mo d e l i n t o t h e AN S YS ，S O t h e l i mi t a t i o n o f t h e ANS YS i n c o mp l e x s t r u c t u r e mo d e l i n g wa s ma d e u p ．A f i n i t e e l e me n t a n a l y s i s mo d e l wa s b u i l t ．A s t a t i c a n a l y s i s f o r t h e s p i n d l e s h a f t w a s ma d e ． T h e r e s e a r c h r e v e a l s t h e ma x i mu m s t r e s s a n d d e f o r ma t i o n wh e n t h e ma c h i n e i s i n fl c u t t i n g f o r c e l o a d c a s e ．A mo d a l a n a l y s i s o f t h e s p i n d l e wa s ma d e ．T h e a n a l y s i s a b o u t s p i n d l e l i b r a t i o n s h a p e s o n t h e wo r k i n g a c c u r a c y p r o - v i d e s fl t h e o r e t i c al b a s i s f o r f u r t h e r i mp r o v i n g t h e s p i n d l e a c c u r a c y a n d s p e e d ． Ke y wo r d s Ma c h i n e t o o l s p i n d l eS t a t i c a n a l y s i s Mo d a l a n a l y s i s 在机床加工过程 中，主轴对机床加工精度和可靠 性 以及 最终加 工性能有非常重要的影响 。随着机床速 度、精度的提高，对其部件的静动态性能的要求也随 之提高。机床主轴单元的静动态性能主要包括主轴的 静态和动态刚度、固有频率、临界转速以及动态响应 等 ] 。主轴仿真模型要求在进行主轴设计参数优化 时 ，实现所有速度下 的动态 刚度最 大化 ，或者在 特定 的加工应用程 序中的特定速度下实现轴 向最大切削深 度 。因此，在设计阶段需对其进行详细的静力学和 动力学分析，以提高设计效率 、减少试验成本 ，进而 提高主轴的使 用性能 。 作者以桂林机床厂生产的X H 2 3 2 0 ／ 4机床的主轴 为研究对象，研究其有限元建模方法。首先通过 S o l i d Wo r k s 对其进行三维建模 ，然后在 A N S Y S中搭 建有 限 元模型，得到主轴的模态参数，为以后进行类似产品 的主轴部件有限元分析打下了基础 ，并为进一步进行 数控机床其他部件和整机的有限元分析做准备。 1 X I - I 2 3 2 0 ／ 4加工中心主轴机构 某公司所研发的产品 X H 2 3 2 0 ／ 4为定梁定 柱式五 面体加工中心。该产品采用定梁定柱结构 、数控 自动 万能铣头和新型双线性导轨和滑动导轨的复合结构等 先进技术 ，可实现 4 5 。 轴立卧 自动转换、c轴 自动分 度；可一次装夹工件 自动完成多种空间方 向的铣、 镗、钻 、攻丝等 1 4 5道以上工序加工 ，实现五面体加 工功能 。所能达到的技术指标 工作 台 2 0 0 0 m m 4 0 0 0 m m；三 向 行 程 向 4 0 0 0 m m，Y向 2 6 0 0 m m，Z向 1 0 0 0 m i D _ ；主轴 转 速范 围2 5～3 0 0 0 r ／ m i n 无级 ；主轴 电机 功率 3 0 k W；定 位 精 度 0 ． 0 2 m m；重复定位精度0 ． O 1 m m 。该加工中心 的主轴结构如图 1 所示，主轴总长为 6 3 8 m m 。 根据主轴电机功率 ，计算主轴所受的转矩，根据 公式⋯T9 5 5 0 x P x r ／ i t 得 到转矩 T1 1 4 6 0 n N i n 收稿 日期 2 0 1 21 01 6 基金项目国家自然科学基金项目 5 1 1 6 5 0 0 3 ；广西科学研究与技术开发计划项目 1 0 9 9 0 2 21 作者简介刘丹萍 1 9 8 9 一 ，女，硕士研究生，主要研究方 向为数控机床主轴的多学科优化。Em a i l d a n p i n g 0 4 0 3 1 6 3．c o m。