加工中心主轴部件的有限元分析及其验证

—256—技术改造立式加工中心立柱结构有限元分析及改进研究崔争第 方秀菊 曲耀辉 颜 荣（中科美菱低温科技股份有限公司，安徽 合肥 230000）摘 要：立式加工中心是现代机械制造加工中十分重要的加工设备，包含了床身、主轴线以及立柱等。

为了进一步改进立柱结构，利用Solidworks 2018三维软件进行建模，并通过SOLIDWORKS Simulation 开展有限元分析，得到立柱结构应力图与位移图，以此为基础进行改进设计，在降低立柱结构重量的同时，缩小了最大位移量，并有效避免了应力集中。

关键词：立式加工中心；立柱结构；有限元；改进伴随着现代制造业的不断发展，对加工中心的需求量越来越多，所以，将现代设计方法融入到加工中心结构设计与完善工作中，力求进一步降低加工中心设备加工难度与周期。

一直以来，国内外都十分重视机床设备的优化与创新，依托于现代计算机辅助设计软件，使得机床动态设计工作更加成熟，可以根据设备使用环境的拓扑来弥补使用问题。

本文从两个方面入手进行分析和改进，其一是对立式加工中心材料运用的改进，既可以保证加工的便捷性，避免产生材料浪费，还能够改善加工中心性能；其二，对立柱结构中的大件进行改进，降低机构质量。

一、立式加工中心结构建模与有限元分析（一）模型建立立式加工中心涵盖的主要部件有床身、主轴箱以及立柱等，立柱通过螺栓与床身紧固在一起，主轴箱顺着导轨在立柱上做进给运动，可见立柱是立式加工中心十分重要的部件。

本研究中的立柱是通过整体铸造再进行机加工得到的，内侧为空心结构，在外侧壁上设置有加强筋，保证立柱强度。

加工中心工作时，立柱是需要承受较大的力，需要对立柱的强度进行仿真分析。

利用Solidworks 2018三维软件进行建模，如图1所示。

图1 加工中心立柱模型（二）有限元分析利用Solidworks 软件对力主结构进行简化，去除掉结构中的工艺孔、倒角、对强度影响不大的复杂结构等，加载SOLIDWORKS Simulation 开展有限元分析，假如结构中各个材料密度均匀，连接牢靠。

卧式加工中心整机的静动态有限元分析48 卧式加工中心整机的静动态有限元分析施文军1 张立2仲梁维2 徐增豪 2 陈伟1上海第三机床厂1（200032上海理工大学CAD 中心2（200093）摘要利用有限元分析软件ANSYS 对加工中心整机进行静力学分析和模态分析，得到其各主要部件的刚度和固有频率、固有振型。

在此基础上计算了动静态特性，根据计算结果对其结构进行改进设计和优化。

关键词加工中心静力学分析模态分析动静态特性优化设计由于航空航天、模具制造、医疗器械、汽车制造等行业对零部件制造精度要求的提高，对加工中心的动静态刚度性能提出更高的要求[1-6]。

笔者在研发卧式加工中心的过程中利用有限元分析指导设计，以提高加工中心的动静态性能。

1 卧式加工中心的结构卧式加工中心主要由床身、龙门架、滑鞍、主轴箱、主轴组件、工作台、交换台等部件构成。

为了提高机床的刚性，适应高精度加工的需要，采用了先进的“框中框”结构。

同时采用双丝杆驱动，保证了高速运动的平稳性，如图1所示。

2 卧式加工中心的仿真分析 2.1 静刚度有限元分析1）静态分析的基础理论机床在切削加工的过程中，受到静态力和动态力的同时作用。

使机床产生弹性变形和受迫振动，致使刀具与工件之间产生相对变位，改变了他们之间的正确位置关系，并在加工表面留下振纹，从而降低了零件的加工质量。

静态分析时，变形和受力之间是弹性关系，即满足以下关系。

（1）式中：k ——系统的刚度列阵；p (t )——静态力列阵；x ——系统运动的位移列阵。

由以上可知，对于特定材料其k 为定值，因此有限元分析结果反映了结构受到外载荷p (t )作用后，位移x 的分布情况。

可以准确了解刀具与工件之间相对位置改变的情况[7]。

2）加工中心的静态分析及其结果以加工中心在铣削加工方式下的载荷为分析载荷，承受铣削力（包括主切削力、进给力、径向力）、主轴的重力、工件重力。

加工中心在铣削工况下，不同部位和整机X 、Y 、Z 三个方向的静刚度值如表1～表4所示。

加工中心用电主轴结构设计及其仿真分析一、综述随着科技的不断发展，加工中心在制造业中的地位越来越重要。

加工中心作为一种高效、高精度、高自动化的加工设备，已经成为现代制造业的重要支柱。

然而加工中心在使用过程中，电主轴作为其核心部件，其结构设计和性能对加工中心的整体性能具有重要影响。

因此对加工中心用电主轴的结构设计及其仿真分析进行研究，对于提高加工中心的性能和降低生产成本具有重要意义。

电主轴是一种将交流电源转换为高速旋转并带传动功能的电动机。

它具有结构简单、重量轻、惯性小、响应速度快等优点，广泛应用于数控机床、加工中心等机械设备中。

电主轴的结构设计主要包括电机、减速器、轴承、冷却系统等部分。

其中电机是电主轴的核心部件，其性能直接影响到整个电主轴的性能；减速器用于降低电机转速，提高扭矩；轴承用于支撑转子并实现转动；冷却系统用于降低电机温度，保证电主轴的正常运行。

为了提高加工中心的性能，需要对电主轴的结构进行优化设计。

首先应选择合适的电机类型和参数，以满足加工中心的工作要求。

其次应合理选择减速器类型和参数，以保证电主轴具有较高的转速和扭矩输出。

此外还应考虑轴承的选择和配置，以确保电主轴具有较低的噪声和振动。

冷却系统的设计也至关重要，应根据加工中心的工作环境和工艺要求，选择合适的冷却方式和参数。

为了验证电主轴结构设计的合理性和性能，可以采用仿真分析方法对其进行评估。

通过建立数学模型，对电主轴的结构参数进行优化设计，并利用仿真软件对其进行模拟分析。

仿真分析可以帮助我们了解电主轴在不同工况下的性能表现，为实际应用提供依据。

同时仿真分析还可以发现结构设计中的潜在问题，为改进设计提供参考。

加工中心用电主轴结构设计及其仿真分析是一项重要的研究工作。

通过对电主轴结构的设计优化和仿真分析，可以提高加工中心的性能，降低生产成本，为现代制造业的发展做出贡献。

1.1 研究背景和意义随着现代制造业的飞速发展，加工中心在工业生产中扮演着越来越重要的角色。

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矢的性能校核。

利用有限元分析软件ANSY对s某机床主轴进行相应的分析，对其性能进行研究。

矢键词：ANSY，S主轴，有限元分析。

研究内容52问题描述：机床主轴材料为45号钢，弹性模量为2.06 x10 5 N.mm2，泊松比为0.3,儿何参数如下图。

图1主轴不意图主轴静态特性的基本概念主轴的静态特性反映了主轴抵抗静态外载荷的能力，静力学分析实际上是为了得到机床主轴在一定静态载荷作用下所产生的变形量。

在实际生产条件下，机床的主要失效形式大部分是由于机床的刚度不足而引起。

所以主轴静刚度的计算就显得尤为重要。

所谓的主轴静刚度实际上就是主轴的刚度，是机床主轴一个非常重要的性能指标，它直接反映出主轴负担载荷与抵抗振动的能力。

如果主轴的静刚度不足，主轴在切削力的作用下，会产生较大的变形量，并可能引起振动。

这样不仅会降低机床的加工精度、增大加工工件表面的粗糖度；也会对轴承造成较大磨损，破坏主轴系统的稳定性。

因此，主轴的静刚度是衡量机床性能的重要指标。

主轴的弯曲刚度的定义可以理解为：使主轴前端产生单位径向变形时，变形方向上所需施加的力F,即：主轴的静刚度，分为轴向静刚度与径向静刚度，上面提到的弯曲刚度实际上就是径向静刚度。

通常情况下，轴向刚度没有弯曲刚度重要。

弯曲刚度是衡量主轴刚度的重要指标，通常用来代指主轴的刚度。

1・主轴有限元模型的建立及边界条件的处理为了真实、准确、有效地对主轴进行特性分析，需要对机床主轴进行相应的简化。

对主轴的简化应该遵循以下原则：(1) 忽略对分析结果影响不大的细小特征，如倒角、倒圆等；(2) 对模型中的锥度和曲率曲面进行直线化和平面化的处理；(3) 忽略对主轴静态特性影响不大的零部件结构。

《机械设计与制造》主轴部件三维实体模型的有限元分析法主轴是机床的重要部件之一，它的静、动态刚度一直是设计计算的重要内容，但传统的计算方法是把主轴简化为等截面的梁单元进行计算，显然是静不定问题，用这样的力学模型计算主轴的静、动态特性与实际情况有很大的差距。

目前主轴部件设计采用有限元法，可以满足设计过程要求，为主轴结构的优化设计提供依据。

1．主轴部件的结构简化图1是卧式加工中心主轴的结构简图，它是一个多阶梯空心的圆柱体，此结构必须经过一定简化后，方可进行有限元分析，本主轴部件在以下方面进行简化：(1)各处倒角简化成直角，忽略空刀槽；(2)润滑油孔、工艺孔、键槽、螺纹孔等均按实体处理；(3)主轴轴承简化成弹性元件；(4)主轴上齿轮、锁紧螺母、中间隔套、拉刀机构组件等零件简化成集中质量。

图1主轴部件1—铣刀；2—主轴；3—轴承组件；4—隔套；5—密封套；6—齿轮；7—锁紧螺母；8—拉刀机构组件2．单元类型的选择及结构剖分如图1所示主轴部件总长719ｍｍ，平均直径为160ｍｍ，其长径比值为1∶4.49，对于这类主轴部件，常采用三维实体等参元建立有限元分析模型。

在结构剖分过程中，遵循以下原则：(1)不连接处自然分割。

结构在几何形状，载荷分布等方面存在着不连接处，在离散化过程中，应把有限元模型的结点单元的分界线或分界面设置在这些不连续处。

(2)几何形状的近似。

结构离散化使结构原边界变成了单元边界的集合，因而就产生了结构几何形状的离散化误差。

减少几何形状离散化误差的措施：一是采用较小的单元，较密的网络；二是采用高次单元。

(3)单元形态的选择。

单元形状是指单元的形状状态，包括单元形状、边界中点的位置，细长比等。

在结构离散化过程中必须合理选择。

单元最大尺寸和最小尺寸之比称之为细长比。

为了保证有限元分析的精度，单元的细长比不能过大。

根据以上三项原则，可将主轴部件离散为78个实体单元，4个弹簧元素单元模型，如图2。

(ａ)主视图(ｂ)俯视图图2主轴部件三维实体模型图3．约束条件的建立合理确定有限元模型约束条件是成功地进行有限元分析的基本条件，约束条件的确定，应尽可能符合原结构的实际情况。