镗床主轴部件动静态性能改进研究

【摘 要】主轴部件是数控机床的重要组成部分，其性能的好坏对机床的性能有着重要的影响。现采用Inventor软件对主轴部件三维建模，采用有限元方法，基于商用软件ANSYS对主轴部件进行了动静态性能的分析，从而达到改进主轴部件设计的目的。

【关键词】有限元分析；模态分析；ANSYS软件；机床主轴

中图分类号：TG65

文献标识码：A

文章编号：1006-0278（2015）05-115-01

一、机床三维建模装配和结构分析

根据AutoCAD中的二维零件视图，在Inventor中的Part环境中建三维零件模型，根据AutoCAD中的二维装配图，在Inventor中的Assemble环境中进行二维建模。

二、主轴部件的有限元分析

（一）有限元方法的基本原理及ANSYS软件应用

典型ANSYS分析问题的步骤有二部分：前处理、求解、后处理。其应用较为方便简单，较易掌握。

用于稳态载荷作用下的结构分析，不考虑惯性和阻尼影响。其中稳态载荷包括固定不变的惯性载荷，也可以是随时间变化缓慢近似静力的载荷。

静力分析施加的载荷主要有：外部的作用力、稳态的惯性力、位移载荷和温度载荷。

（二）有限元模型建立

有限元模型建立的好坏关系到以后分析计算准确性和计算成本。建立有限元模型可以采用有限元分析软件直接建立模型，也可以采用采用其它三维实体造型软件建立部件的二维实体模型，然后通过数据转换调入到有限元分析软件中，进而建立模型。在本文中采用后一种方法，利用Inventor软件建立三维模型，通过SAT文件格式导入ANSYS中。在建立模型过程中，为了便于有限元分析，对模型进行了简化，主要包括螺纹、键槽按实体处理；忽略空刀槽、倒角等局部特征。经过这样的简化可以提高计算效率，并且对计算结果精度影响很小。

（三）主轴部件静刚度的有限元分析

主轴组件的静刚度，或简称刚度，反映了主轴组件抵抗静态外载荷的能力。主轴组件的弯曲刚度K，定义为使主轴产生单位径向位移，在位移方向所需施加的力，刚度数学表达式如下

一般情况，弯曲刚度远比轴向刚度重要，是衡量主轴单元刚度的重要指标，通常用来代指主轴的刚度。它与主轴单元的悬伸量、跨距、几何尺寸、主轴材料的物理性能及轴承刚度有关。

在支承处限制全部白由度，然后在主轴部件前端处施加UY方向力-2773N即竖直向上的力。

主轴前端受力最大位移为14.832，可以计算得出该情况下主轴部件静刚度为

（四）主轴部件动态性能有限元分析

以下为机床主轴的动力学模型，利用弹簧阻尼单元模拟轴承的弹性支承。为两组弹簧单元模型，其位置前段取二个轴承的中间截而，即中间轴承的截而处，后段取内锥孔圆柱滚子轴承的中截而处，用以考察轴承对主轴横向振动固有特性的影响。

单元和网格划分同上节静力分析，根据有限元网格模型。从几何表达上讲，梁和杆是相同的，从物理和数值求解上讲则是有区别的。同理，平而应力和平而应变情况设计的单元求解方程也不相同。在有限元数值求解中，单元的等效节点力、刚度矩阵、质量矩阵等均用数值积分生成，连续体单元以及壳、板、梁单元的而内均采用高斯（Gauss）积分，而壳、板、梁单元的厚度方向采用辛普生（ Simp son）积分。辛普生积分点的间隔是一定的，沿厚度分成奇数积分点。由于不同单元的刚度矩阵不同，采用数值积分的求解方式不同，因此实际应用中，一定要采用合理的单元来模拟求解。

机床在开机工作过程中，主轴将会受到周期性的激振力作用，当所受的激振力频率同主轴固有频率基本重合时即产生共振现象，共振不仅使降工质量低加，而且会对刀具和机床造成破坏。因此研究动态响是动力学分析的重要内容。

谐响应分析适用于连续周期性载荷作用在结构上产生的周期性响应，分析谐响应的目的是确定机械结构在激振力频率下的位移响应和应力响应，还可以得到幅频曲线。

在主轴谐响应的分析中，激振力采用9.8N，加载在UY方向，频率范围200～3000Hz，计算在主轴一阶固有频率附近的响应。

三、结束语

首先对主轴和主轴部件所进行的二维建模经过简化，从二维软件INVENTOR中导入到ANSYS中。特别是分析了支承轴承的合理建模方法，然后利用有限元软件AN-SYS进行了静力分析、模态分析和谐响应分析，得到了主轴和主轴部件的固有频率、振型和一阶频率附近的谐响应，得到了主轴前端的最大动态位。根据得到的以上结果，对加工的精度以及应避开的刀具加工时和选电机产生的振动频率有了理论依据。也对今后进一步做好机床动力学研究奠定基础。

参考文献：

[1]傅志方.模态分析理论与应用[M]上海：上海交通大学出版社，2000

[2]王志坤，蒋书运锥孔双列短圆柱滚子轴承的动态特性分析[J].东南大学学报（自然科学版），2005，35（3）