机床主轴有限元分析.doc

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机床主轴有限元分析

基于ansys的机床主轴有限元分析

摘要：随着高速数控机床的不断发展，对数控机床主轴的性能要求也开始逐渐提高。机床主轴的动静态性能直接影响加工系统的精度和稳定性，因此，在设计阶段必须对其机床主轴进行相关的性能校核。利用有限元分析软件ANSYS对某机床主轴进行相应的分析，对其性能进行研究。

关键词:ANSYS，主轴，有限元分析。

研究内容

问题描述：机床主轴材料为45号钢，弹性模量为2.06×10N.mm，泊松比为，几何参数如下图。

图3主轴ANSYS模型

划分网络

设置网络：单击→preprocessor→meshing→meshtool,如图所示，在弹出的对话框如图meshtool中选择smartsize,6级精度，单击mesh,选择所要划分的主轴。

图4主轴网格模型

进入求解器，施加边界条件及计算

采用弹黃阻尼单元等效轴承时,需将轴承简化为沿机床主轴周向均匀分布的四根弹篑支承,主轴系统中含有前后两个轴承,因此共需设置8根弹黃支承。这些弹黃苹元共有8个内圈节点和8个外圈节点,对于内圈节点,约束其轴向自由度;对于外圈节点,约束其所有的自由度。由于本文中不考虑轴承的交叉刚度和交叉阻尼,因此不采用交叉弹簧的布局。

将切削力加载到机床主轴的轴端,注意加载方向要通过加载平面的圆心,以保证加载的准确。建立完成的三维有限元静力分析模型中共含有24164个单元,27428个节点

图5主轴加载示意图

单击mainmenu/preprocessor/solve/currentls，经过一段时间后，弹出一个命令框（如图23所示），显示‘solutionisdone!’,至此求解完毕。

图6计算结束示意图

计算结果分析

1.仿真计算分析

主轴承受不同的剪切力后，起变形情况也发生变化，如下表及变形云图所示。

加载力F（N）

50

100

150

200

300

400

500

有限元中的变形量δ（μm）

1.5

3

4.5

6

9

12

15

图7变形云图

可以看到主轴的变形主要发生在主轴的前端部分,后面变形较小。而主轴的主要变形方向沿着Z轴的负方向,主轴的最大变形和最小变形的方向相同,因此可以判定主轴发生弯曲变形。

结论

本文主要介绍了主轴静态特性的基本概念、有限元方法在求解问题中的相关理论方程和ANSYS有限元分析软件的基本分析流程。重点介绍了利用ANSYS软件建立机床主轴的三维有限元分析模型的方法,最终得到较为精确的主轴有限元分析模型,并对主轴的静刚度进行了研究。

参考文献

[1]廖日东，《有限元原理简明教程》

[2]濮良贵，纪名刚，机械设计[M],高等教育出版社

[3]付华主轴部件的动态特性分析及动力修改

[4]朱江洪不同预载下的球轴承变形的程序设计

[5]簧旭东主轴部件的静态特性实验研究