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加工中心主轴箱力学性能分析

发布时间:2021-04-06 19:58:48点击率:

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主轴传动系统是影响加工中心性能的重要部件之一,对加工中心的加工精度和效率有着非常重要的影响,而主轴传动通过主轴箱来实现,主轴箱起着支承主轴并使其启动、制动、变速等作用。主轴箱的静、动态特性对加工中心的整体性能及加工精度有很重要的影响,本文对主轴箱进行了自由模态分析及静力分析,验证了设计的主轴箱结构合理。

1 模态分析

模态分析是指分析特定结构的振动特性,也就是分析结构的固有频率及其振型,此分析对目标结构故障诊查有着重要的作用。本文主要做了主轴箱的自由模态分析,通过自由模态分析,能求出低阶频率及其振型,防止共振,也为主轴箱后续动力学分析打下基础。

主轴箱的自由模态分析过程分为以下几个步骤:

第一步:在三维软件 proe 中创建出主轴箱的三维模型,为了方便网格划分及减少计算时间,去除三维模型中的倒角、螺纹孔、小凸台等特征。然后将三维模型导入

Workbench 中,材料定义为灰铸铁,弹性模量值设为 E=

1.17e5MPa,泊松比 μ=0.25,密度为 7.2e-6kg/mm3;再进行网格划分,网格划分时的参数均为默认参数,自动划分网格

(网格单元选择系统默认的单元),结果如图 1 所示。



图 1 网格划分结果图

第二步:进行边界条件加载,自由模态分析不需要加载任何约束和外界载荷。

第三步:求解。

直接求解,求出的主轴箱的固有频率及振型如表 1所示。

表 1 求出的主轴箱的固有频率及振型



自由模态分析时,前六阶频率约为 0,可忽略,从第七阶开始为有效阶数,第 7 阶振型为绕主轴箱中心线处左右扭动,第八阶振型为中间部位前后摆动,第九阶振型为前后摆动加左右摆动,第十阶为主轴箱下半部前后摆动,十一阶为摆动加扭动,十二阶为复合摆动,见图 2 所示。

2 静力分析

通过静力分析,能求出主轴箱的应变、应力及其刚度值。引起弹性体发生单位变形量所需要的力的大小即为刚度值,也就是刚度值等于作用力与位移量的比值。刚度一般包括静刚度和动刚度。静刚度是指引起零件(弹性体)发生变形的力为静力,把此静力与由它引出的变形之间的关系所确定的刚度称为静刚度,动刚度是指引起零件(弹性体)发生的变形的力为交变力,把此交变力与由它引出的变形之间的关系所确定的刚度称为动刚度。如果加工中心的刚度不够,不能满足加工中心的使用要求,加工中心在工作时,受到切削力、自重以及摩擦力等各种外力下,零部件容易变形,振动,刚性越差,加工中心的加工精度越难保证,所以研究刚度对加工中心具有重要作用,主轴箱是加工中心重要部件之一,研究其刚度也具有同样重要的意义,本文主要求得的是主轴箱的静刚度。以下为求解的具体过程:

2.1 受力模型的创建

简化主轴受力模型如图 1 所示,主轴承受径向力 F=

4000N,可以求出轴承上承受的径向力 F1=-5690N,F2=

1690N,(设竖直向下为正方向)。所以主轴箱箱体在轴承安装位置处(a、b 处)分别受到力-F1,-F2。




2.2 不考虑自重影响

主轴箱边界条件加载:首先,简化受力模型,对与导轨面相结合的两个面进行全约束,即参数 X Component、Y Component、Z Component 均为 0;其次,安装 a 处轴承 1 的孔的直径 D1=140,宽度 B1=40,安装 b 处轴承 2 的孔的直径D2=110,B2=50(长度单位均为 mm)。根据 2.1 分析,在主轴箱箱体对应的 a 处轴承孔下半圈加载,加载压强 P1=2F1/(πD1B1)=0.65MPa,同时在主轴箱箱体 b 处轴承孔上半圈加载压强P2=2F2(/ πD2B2)=0.2MPa;加载完成(图 4)。

不考虑重力影响,求得结果如图所示:大变形量为

0.9μm,大应力仅为 1.07MPa,径向变形为 0.6μm,即径向刚度为k=4000/0.6=6666N/μm。

2.3 考虑自重影响

分析过程同“2.2 不考虑自重影响”几乎一样,只是在加载时,多加上主轴箱体的自重,结果如图 7-图 8 所示, 大变形仅为 1μm,大应力为 1.5MPa,径向变形为

0.6μm,即径向刚度为 k=4000/0.6=6666N/μm。

对比 2.2 及 2.3 发现:重力对主轴箱的静刚度影响很小。可见,在做主轴箱静力分析时,可忽略主轴箱的重力, 而本次求得到刚度值比较大,说明主轴箱刚度良好,结构设计是合理的。



3 结论

本文基于workbench,对主轴箱进行了模态分析,求出了主轴箱自由状态下的固有频率及振型,并建立了主轴箱受力分析模型,求出了静力分析下,主轴箱总变形及应力都很小,验证了主轴箱结构是合理的,而根据“2.2 不考虑自重影响”及“2.3 考虑自重影响”的结果比较,可以看出主轴箱本身自重对径向刚度影响很小。

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