主轴箱底座有限元计算分析

摘 要：通过对主轴箱底座有限元分析计算，保证其具有足够的动、静态刚度。

关键词：主轴箱底座；有限元建模；模态分析

1 引言

主轴箱底座为筋板式结构，是机床主轴箱重要的支承部件。起着承受力和容纳各种零部件的作用，它的动态性能直接影响机床加工精度和生产效率，所以要求其具有足够的动、静态刚度。

2 曲轴中心架的有限元分析计算

1）建立几何模型

这里分析的是主轴箱底座模块，用于CWT130×145/180L-MC数控重型曲轴铣车复合加工机床，由于该零件结构复杂，所以用UG软件进行三维实体建模。

利用UG软件建立的主轴箱底座几何模型，铸件、结构件、外壁减薄结构件。

2）有限元网格划分

选用UG软件结构分析模块提供的四面体单元对主轴箱底座进行网格划分。

3）定义材料属性

主轴箱底座是支承件中的重要部件，其在工作时承受主轴箱、花盘及工件的巨大压力，必须具有较高的强度，所以铸件材料选为灰铸铁HT250。根据相关资料，HT250的质量密度为7.3e-6kg/mm3；弹性模量1.1e8mn/mm3（kpa）；泊松比为0.28。结构件材料选为铸钢。根据相关资料，铸钢的质量密度为7.8e-6kg/mm3；弹性模量1.55e8mn/mm3（kpa）；泊松比为0.28。

4）定义约束

主轴箱底座通过地脚螺栓与地面连接，约束了主轴箱底座X、Y、Z方向的移动以及绕X、Y、Z轴的转动，为了模拟实际工况，边界处理时，将主轴箱底座与螺栓结合面进行全约束。

5）机床主轴箱底座静态分析

机床工作时，主轴箱底座受到工件和花盘的压力作用以及分别对主轴箱的弯距，主轴箱底座上表面承载主轴箱重量53.5t的均布布载荷以及花盘和工件作用于它的均布布载荷67.5t，将弯矩矩转化为等效力偶之后，力的大小为31t加载在主轴箱底座的前后沿上，通过有限元分析，铸件Z方向最大变形量约为0.09258mm， MAG最大变形量约为0.09849mm；结构件Z方向最大变形量约为0.1026mm，比铸件大10.8%， MAG最大变形量约为0.1194mm，比铸件大21.2%；薄壁结构件Z方向最大变形量约为0.1078mm，比铸件大16.4%，比厚壁结构件大1.5%， MAG最大变形量约为0.134mm，比铸件大36%，比厚壁结构件大12.2%。

注：由分析数据和可以看出无论是铸件、结构件还是薄壁结构件，变形两最大的位置基本一致，在上表面，X负方向的第二条和第三条筋板之间与Y负方向第一条筋板的交汇处附近，可视该处为最薄弱的环节，由模型可知该处清沙孔较大即两筋板间跨距较大，建议加筋。

6）机床主轴箱底座模态分析

机床主轴箱底座模态分析主要分析主轴箱底座的固有频率和振型，其作用为：避免床身受载后发生共振现象，同时也是进行其他动力学（响应谱）分析的起点。由于低阶模态对振动系统的影响较大，因此现分别计算了主轴箱底座铸件、结构件、薄壁结构件的前三阶模态。

由以上振型图可以看出铸件、结构件、薄壁结构件的振型相似，第一阶振型为弯曲振型，第二阶振型为弯曲振型，第三阶振型为扭转振型；最大变形量的位置相似。铸件主轴箱底座前三阶振型图，第一阶频率为111.4Hz，在该振型下主轴箱底座的最大变形为0. 2084mm，第二阶频率为130.6Hz，在该振型下主轴箱底座的最大变形为0. 2051mm，第三阶频率为169.4Hz，在该振型下主轴箱底座的最大变形为0.1476mm；结构件主轴箱底座前三阶振型图，第一阶频率为119.8Hz，在该振型下主轴箱底座的最大变形为0. 1825mm，第二阶频率为149.1Hz，在该振型下主轴箱底座的最大变形为0. 1824mm，第三阶频率为191.2Hz，在该振型下主轴箱底座的最大变形为0. 2033mm；薄壁主轴箱底座前三阶振型图，第一阶频率为124Hz，在该振型下主轴箱底座的最大变形为0. 2143mm，第二阶频率为146.8Hz，在该振型下主轴箱底座的最大变形为0. 2038mm，第三阶频率为191.5Hz，在该振型下主轴箱底座的最大变形为0. 1315mm。

3 结束语

结论1：由计算数据可知，结构件主轴箱底座固有频率大于铸件主轴箱底座，与薄壁主轴箱底座相差不大。

结论2：由静态分析计算数据可知，铸件主轴箱底座的变形量最小，自身静态刚度最好；结构件主轴箱底座（壁厚为40mm）的变形量较铸件主轴箱底座（壁厚为40mm）大，结构件主轴箱底座（壁厚为20mm）的变形量较结构件主轴箱底座（壁厚为40mm）大，刚度较铸件主轴箱底座与焊接件主轴箱底座差。■

参考文献

1.机床设计手册编写组，机床设计手册（M），北京：机械工业出版社，1980

2.王新敏，李义强，许宏伟，ANSYS结构分析单元与应用（M），北京：人民交通出版社，2011

3. 闻邦椿，机械设计手册03-04

4.THOMSON W T，er al，振动理论及应用（M），北京：清华大学出版社，2005

作者简介：曹磊（1982-），男，工程师，主要从事卧式车床、立式车床、数控落地镗铣床、数控滚齿机、数控曲轴车床等专机的研发设计工作。