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加工中心立柱的静力分析
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&2立柱的静动态特性分析
机床的结构性能是保证机床具有一定的加工精度稳定性的基础，一台机床的基础结 构性能的好坏直接关系到其最终的加工精度、加工精度稳定性和切削效率等。为了提高 其结构性能，除了合理配置机床的部件型式外，首先要求在设计上要保证其结构有良好 的静动特性性能。当处于工作状态时，会产生各种变载荷，导致机床产生 振动进而影响机床的精度和稳定性，这里首先对其静动态特性做相关分析。
立柱联系床身和主轴箱，处于加工中心的中间位置，对其质量、抗振性能和刚度等 结构性能要求较高。故本章主要以立柱为研究对象，对其进行静动态性能分析。对于加 工中心的其他部件如床身、主轴箱等，也可利用此节所述思路来分析和优化，这里不再 赘述。
2. 1加工中心立柱的静力分析
该卧式加工中心的立柱釆用整体铸造的形式，其在X方向的快速移动速度为 36m/min，竖直之后高1900mm、长890mm、宽794mm、顶板厚110mm、底板厚120mm， 左右侧壁厚度为155mm，重量为1400kg。
分析立柱与其他主要部件的关系，主轴箱通过四个滑块和直线导轨正挂在立柱之 上，并通过滚轴丝杠传递的动力沿直线导轨在Y向作上下运动。床身上也有两条直线导 轨，立柱底面通过导轨上的滑块与床身连接，可沿X轴方向左右移动。虚拟装配图和实 际装配图分别如图2.2-a与2.2-b所示。 -
结构的静力分析是指作用在结构上载荷是固定不变的，在这种情况下，进而计算结 构所受到的应力和产生的变形。当然，一个结构只有在非常理想的情况下才会受到固定 不变的载荷，这里将随时间变化很缓慢的载荷也看作是固定载荷。这样，在进行静力分 析时，除了约束载荷和重力载荷外，只需施加静力固定载荷
2.1.1加工中心的受力分析
加工中心的刀具通过对所加工的工件施加切削力进行切削过程，然后工件会对刀具 产生反作用力，刀具所受到的力通过刀柄、主轴和主轴箱（包括导轨上的四个滑块）传 递到立柱上。为了更好的模拟立柱的受力变形，工件对立柱的作用力应该利用力的等效 原则将力传递到立柱导轨上。根据高速卧式加工中心的受力特点，对其在钻孔和铣削两 种工况时的受力情况分别进行了分析。
对该工序加工内容进行分析可知，该工序主要完成缸体的铣面和钻孔工作（图2.3)， 铣刀和钻刀均为硬质合金刀具。这里利用切削力的功率估算方法对一把直径45mm,转 速400 r/min的铣刀进行铣削力计算。对于电主轴来说，其最大功率为30Kw,由于没有 齿轮传动功率耗散比较少，故令传动效率为0.98,则可得出实际切削效率为：
pc = TJPE = 0.98x30 = 29AKw (2-1)
已知刀具直径和转速，进而得到切向切削力也即主切削力：
分析可知，当主轴箱位于立柱导轨行程的不同位置时，切削力的杠杆率也不同，会 导致立柱的变形量产生变化。这里取其在实际加工过程中（图2.4)最常用的工作位置， 即下滑块底面距离导轨地面600mm。
2. 1.2加工中心的静力分析
首先利用CAD建模软件Pro/E对立柱结构进行三维建模，由于模型结构较为复杂， 将对立柱性能分析影响较小的一些特征如小倒圆角、螺纹孔、小凸台等省略去，这能够 避免接下来的有限元网格划分过程中出现错误，且节省计算时间。
三维模型建完导入ANSYS分析软件中，对立柱进行材料属性定义（表2.1):
表2.1各部件的主要材料属性 Tab.2.1 Material properties of the parts
弹性模量(N/m2)
质量密度(kg/m3)
之后对结构进行网格划分。主轴箱与立柱的接触类型定义为bounded,对主轴施加 上小节计算出的切削力，对立柱与底座（床身）连接处的滑块位置以及与滚珠丝杠连接 处施加约束。　 |　 　 |　 　 |　
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机床主轴的SolidWorks建模与有限元分析
发表时间：
作者: 刘丹萍*蒋占四*冯建国*胡志鹏 来源: 万方数据
关键字: &&&&
机床主轴是机床的核心部件之一，使用SolidWorks建立数控机床主轴的三维实体模型，利用SolidWorks与ANSYS之间的数据交换，将其导入ANSYS中，弥补了ANSYS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。
&&& 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XH2320/4机床的主轴为研究对象，研究其有限元建模方法。首先通过对其进行三维建模，然后在ANSYS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。
1 XH2320/4加工中心主轴机构
&&& 某公司所研发的产品XH2320/4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45°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145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：2000mm×4000mm；三向行程：X向4000mm，Y向2600mm，Z向1000mm；主轴转速范围：25～3000r/min（无级）；主轴电机功率：30kW；定位精度：0.02mm；重复定位精度：0.01mm。该加工中心的主轴结构如图1所示，主轴总长为638mm。根据主轴电机功率，计算主轴所受的转矩，根公T=9550×P×η/n计算得到转T=11460N?m。
图1 主轴结构图
2 主轴建模与加载
&&& 有限元模型建立的好坏关系到分析计算的准确性和计算成本。有限元模型可以在有限元分析软件中直接建立，也可以采用其他三维实体造型软件建立三维实体模型，然后调入到有限元分析软件中。可以很方便地完成各种复杂模型的设计，并且，它以Parasolid（以边界表示的实体建模模块）作为几何平台、以尺寸约束管理器（DCM）作为约束管理模块，底层功能得到专业机构的支持，技术上相对成熟、运行稳定。如果把与ANSYS结合起来，利用强大的建模能力，把在中建好的模型导入到ANSYS中进行有限元分析，就能够充分地发挥这两个软件在各自领域中的优势，提高工程技术人员的工作效率。因此，对与ANSYS间的数据交换进行研究，在实际工作中具有十分重要的意义。
&&& 作者采用建立主轴的三维实体模型，在建立模型过程中对模型进行了简化，螺纹、键槽等按实体处理，忽略了一些局部特征，所建模型如图2所示。
图2 主轴的三维简化模型
&&& 在ANSYS中设置主轴材料弹性模量E=2.1GPa，泊松比v=0.3，选用solid92单元，综合考虑计算次数以及计算精度等因素，采用四面体单元、智能划分网格的方法，划分单元数目407632个，节点数608147个。网格划分如图3所示。
图3 主轴网格划分图
&&& 在主轴轴承处添加边界条件，约束主轴以模拟主轴运动情况。由于前段轴承承受较大支承力，且有卸荷作用，因此施加X、Y、Z三向载荷，中间以及后端轴承施加X、Y向约束。
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基于ANSYS的某机床主轴基座的模态分析
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基于ANSYS的某机床主轴基座的模态的方式建设
　　在进行结构设计时，仅靠单纯的静态设计和经验设计已不能完全满足目前工程的要求，必须考虑各种动态因素，并对结构进行详细的动力分析，以达到抗振、安全、可靠的目的。
　　用模态分析可以确定一个结构的固有频率和振型，固有频率和振型是承受动载荷结构设计的重要参数[1]。
　　本文运用三维软件SolidWorks和有限元软件ANSYS对某超声机床主轴基座进行模态分析，根据分析的结果提出优化策略。本研究对实现车床床身动态特性优化和指导实际生产都具有重要意义。
　　1 几何模型建立
　　模态分析是建立有限元模型基础之上，建立有限元模型有两种方法：（1）对于比较简单的模型，采用ANSYS有限元软件自带功能建立有限元模型；（2）对于结构复杂的模型，一般先采用三维建模软件建立几何模lunwen. 1KEJI AN. COM第一论文网lunwen. 1KEJI AN. COM提供和发表服务,欢迎您的光临型，然后将几何模型导入到ANSYS有限元软件中完成有限元模型[2]。
　　由于主轴基座机构复杂，故本文采用三维建模软件SolidWorks进行结构件的几何建模。为了减少计算机工作量、提高工作效率，同时又不失精度，在建模时对模型进行以下简化：（1）忽略一些尺寸较小且不作为主要承力部件以及不会影响机床整体强度和刚度的部位，如螺纹孔、线路孔等；（2）将部分离应力集中区域较远的圆弧过渡简化为直角，而且一些在工艺上需要的倒角、拔模斜度等都不考虑。SolidWorks建立的主轴基座几何建模如图1所示。
　　图1 主轴基座几何模型
　　2 ANSYS模态分析
　　ANSYS软件作为一个大型通用有限元分析软件，能够用于结构、热、流体、电磁、声学等学科的研究，广泛应用于土木工程、地质矿产、水利、铁道、汽车交通、国防军工、航天航空、船舶、机械制造、核工业、化工、轻工、电子、日用家电和生物医学等一般工业及科学研究工作。由于各专业之间可以互相兼容，因此ANSYS极大地提高了工作人员的工作效率，是现代工程设计人员必不可少的工具之一[3]。
　　ANSYS的模态分析过程包括三大步骤：建立模型、加载求解和后处理[4-5]。
　　2.1 建立模型
　　先将SolidWorks建立的几何建模以Parasolid格式保存[2]，并将其导入到ANSYS；而后将导入的线框模型进行修复以形成几何实体模型建立。如要建立有限元模型还必须进行定义材料属性、实常数和材料单元类型属性、划分网格等步骤。
　　由于基座为实体复杂结构，故选用Solid45为有限元模型网格划分时单元。而主轴基座所用材料为45#钢，其弹性模量、泊松比和密度基本参数如表1所示。
　　表1 主轴基座材料基本参数
　　网格划分产生的单元数量直接影响计算量和计算精度，本次采用自由（Free）网格划分，并使用Global控制单元大小，并对局部细化处理。经网格划分得到机床主轴基座的有限元模型如图2所示，共生成了12399节点和55547单元。
　　图2 主轴基座有限元模型
　　2.2 加载及求解
　　本文采用模态分析中的分块法（BlockLanczos）进行模态分析求解，在机床实际工作过程中，主轴的转速一般不超过20000r/min，即主轴的频率为334Hz以内，故取前10阶的模态及固有频率。
　　对该机床装配分析可知，主轴基座通过采用联接件将底面固定，因此在ANSYS定义载荷时将基座底端面三个方向的自由度（UX，UY，UZ）全部被约束。最后通过CurrentLS方式对基座进行模态分析求解计算。
　　2.3 查看结果
　　在ANSYS后处理模块中查看计算所得基座前十（下转第27页）（上接第9页）阶模态的固有频率，基座的前十阶固有频率如表2所示。
　　表2 基座前十阶固有频率
　　从分析的结果可以看出基座的1阶固有频率为860.29Hz，而机床主轴的频率不超过334Hz，因此基座的固有频率lunwen. 1KEJI AN. COM第一论文网lunwen. 1KEJI AN. COM提供和发表服务,欢迎您的光临远大于基座的振动源主轴的频率，所以在工作过程中不会发生共振。由于在模态分析前已经进行了结构静力分析且符合要求，因此基座结构设计达到预期要求。
　　3 结论
　　1）本文采用三维设计软件SolidWorks建立了基座的几何模型；
　　2）通过对基座进行模态分析，得出其前10阶固有频率和振型；
　　3）通过分析可知，基座的固有频率远大于基座的振动源主轴的频率为334Hz，因此在工作过程中不会发生共振，基座结构设计符合要求；
　　4）与传统的设计方法相比，用有限元的方法来进行结构件的设计，可大幅度提高设计的合理性和性。
　　【参考文献】
　　[1]张洪信，管殿柱.有限元基础理论与ANSYS11.0应用[M].北京：机械工业出版社，2012.
　　[2]沈玺，方鹏，宋小肯.浅谈ANSYS与SolidWorks的数据交换[J].装备制造技术，2006（5）.
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