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重型卧式车床主轴系有限元分析

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第27卷第3期青海大学学报(自然科学版)Vol127No13 2009年6月Journal of Q inghai University(Nature Science)Jun12009重型卧式车床主轴系有限元分析高德东1,李孝德2,谷猛1,刘金万1,王珊1,李戬1 (11青海大学机械系,青海西宁　810016;21青海华鼎实业股份有限公司青海重型机床公司特研所,青海西宁810100)摘要:针对某重型卧式车床主轴下沉问题,基于Ansys软件对其主轴系建立了有限元模型,对主轴系静态性能进行了分析。

仿真结果与实际测量相近,主轴下沉约为0135mm;根据仿真结果分析了引起主轴下沉的原因并提出了改进方法,为重型卧式车床设计和改进提供了可靠的理论依据。

关键词:重型卧式车床;主轴下沉;有限元分析中图分类号:TH161121　文献标识码:A　文章编号:1006-8996(2009)03-0015-04F i n ite elem en t ana lysis on a ma i n shaft systemi n a heavy-duty hoz i zon t a l l a thGAO D e-dong1,L I X i a o-de2,GU M eng1,L I U J i n-wan1,W ANG Shan1,L I J i a n1 (11Mechanical Engineering Depant m ent,Q inghai University,Xining810016,China;21Special Research I nstitute,Q inghai Heavy-Duty Machine T ool Co.,L td,Xining810100,China) Abstract:I n order t o l ook f or the reas on of a main shaft sinkage in a heavy-duty horiz ontal lath,a finite ele ment model f or the lath’s main shaft syste m is established based on ANSYS.U sing the model,the static p r operty of the main shaft syste m is analyzed t oo.The result shows that the sinkage value is about0135mm,cl ose t o the realmeasured value.The reas on caused the main shaft sinkage is analyzed and s ome i m p r oving measures t o p revent the main shaft fr om sinking are put for ward t oo.Key words:heavy-duty horiz ontal lath;main shaft sinkage;finite ele ment analysis进入21世纪,机械制造业向着超精密加工方向发展,与此相关的传统计算方法已远远不能满足现代需要。

主轴是机床的重要零件之一,其工作状况直接影响机床的加工精度和零件的加工质量。

按材料力学的传统计算方法只能计算出主轴动静态性能的近似解[1,2]。

青海重型机床公司的大中型、高精度机床产品在国内拥有广阔市场[3]。

但是随着重型车床自身和主轴性能要求的提高,依据传统简单的力学理论计算和生产经验已不能满足主轴的设计要求。

本文针对某型卧式车床主轴下沉问题,基于Ansys软件建立了主轴系的有限元模型,分析了主轴系静态性能和主轴下沉原因,为主轴改进设计提供了有力的理论依据。

1主轴系有限元模型111实体模型图1为重型卧式车床图片,主轴位于箱体内。

实际车床主轴为了便于轴承和齿轮的装配,轴体表面具有一定锥度;同时,主轴表面有倒角、圆角、退刀槽和键槽等小特征。

建立模型时,忽略表面的锥度和所有小特征,简化为多阶梯空心圆柱体。

卡盘和加工工件亦简化为实心圆柱体,卡盘和工件质量分别为7t和120t。

其中,工件65%质量作用在卡盘和主轴上。

箱体简化为支撑轴承两个支板。

主轴系实体收稿日期:2009-04-07基金项目:青海大学中青年科研基金项目(2008-QG-05);华鼎大学生科技创新基金项目(2008HDO1)作者简介:高德东(1980—),男,山东荣成人,讲师,硕士。

青海大学学报第27卷模型[4]如图2所示,表1为主轴实体模型的几何尺寸(主轴共分为14段,表中圆筒自左向右序号分别为1～14,共2285mm )。

表1主轴实体模型几何尺寸序号外径(mm )内径(mm )轴段长度(mm )1225100652269100215328510050429010022052951008263031002837325100455839010013793951001201040510027311495100251248510045133021002201420510095 注:2和10均为轴承连接处。

112单元选择和网格划分图3主轴系网络模型等参元可以很好地模拟曲线和曲面边界,通过增减自由度来构造各种过渡单元并可以得到较好的计算精度。

因此,本文选择10节点的S OL I D 92和8节点的S OL I D 95两种等参元对主轴系各部件进行网格划分。

其中,主轴和箱体采用S OL I D 92划分网格,卡盘和加工工件采用S OL I D 95划分网格。

这样生成节点数较少,能够节省大量系统资源(网格划分后共生成计算节点203562个)。

图3为网格划分后的模型。

2仿真结果211材料属性和边界条件分析过程中,各部件工作都在常温下工作,且各向同性,表2为主轴系各部件材料属性[5]。

表2主轴系部件材料属性参数部件名称材料弹性模量E (Pa )泊松比(ν)密度(kg/m 3)主轴40Cr 合金钢2106×10110137900箱体灰铸铁1120×10110137800卡盘45钢2106×10110137900加工工件45钢2106×10110137900 在弹性力学有限元分析中,边界条件包括位移边界条件、应力边界条件和混合边界条件3种。

对于重型卧式车床主轴系静态有限元分析,采用位移边界条件,即设主轴轴承连接处箱体底部各节点位移为0(固定不动,即车床地基不变形)。

212仿真结果利用ANSYS 后处理模块,可以查看仿真模型的主轴位移云图、应力分布云图和主轴系变形图。

图61第3期高德东等:重型卧式车床主轴系有限元分析4为位移云图;图5为Von M ises 应力分布图;图6为主轴系变形示意图。

图4主轴系位移云图图5主轴系Von M ises 应力分布图图6主轴系变形示意图3结果分析由图6可知,主轴系各零部件变形主要发生在卡盘与主轴连接处和前端承重箱体,这里也是应力集中处(图5可知)。

图7为主轴中心线处变形后各节点位移变化量。

由图中可以看出,靠近承重箱体和卡盘的部分,中心位移下沉量逐渐增大,最大处下沉量为015mm ,平均下沉量为0135mm 。

青海重型机床公司技术人员采用激光测量主轴下沉量,其最大下沉量达0135mm ,平均下沉量约为012mm ,这与计算结果相接近。

引起仿真结果比测量结果大的原因是建模过程中支撑箱体简化使变形集中在支撑处,而实际箱体支撑面积要大,支撑处变形较小。

由图8可知,主轴自身变形较小(最大处为0106mm ),也说明主轴刚度能够实现正常加工。

图7主轴中心位移变化曲线图8主轴变形示意图综上分析,引起主轴中心下沉的主要原因在:(1)支撑箱体发生变形;(2)主轴和卡盘连接力不够,引起主轴头部发生下沉。

针对分析结果,对主轴系设计提出改进方案:(1)加厚箱体壁,使箱体结构合理;(2)增加主轴和卡盘之间的连接力。

青海重型机床公司已经将原来主轴和卡盘之间的4个把合螺栓改为12个,增加了主轴和卡盘之间的连接力。

4结语本文研究了有限元在重型卧式车床主轴分析上的应用,且利用有限元分析软件ANSYS 对重型卧式车床主轴系进行了静态性能分析。

理论分析得出重型卧式车床主轴下沉原因,并提出了改进方案。

仿真结果接近实际测量,为重型卧式车床设计和改进提供了理论依据。

7181青海大学学报第27卷参考文献:[1]吴林峰,郭飞,尚力阳1机床主轴和导轨的变形分析[J]1华北水利水电学院学报,2006,27(4):52-601[2]胡友安,黄幼玲,周军1主轴结构优化的有限元方法[J]1河海大学常州分校学报,2007,21(1):25-281[3]郭煜,祝全民1CH6150卧式车削中心的设计制造[J]1制造技术与机床,2005(10):38-391[4]张洪信,赵清海1ANSYS有限元分析完全自学手册[M]1北京:机械工业出版社,20081[5]朱龙根1简明机械零件设计手册[M]1北京:机械工业出版社,200311-51(责任编辑唐宏伟) (上接第5页)(3)改变施工设计,种植灌木,形成立体绿化模式。

在不影响生态混凝土护坡效果及强度的情况下可在植生区域每隔50～100c m留一10～15c m孔洞,可以在其上直接种植可观赏性或有经济价值的灌木,其周围可种植草本植物,形成立体绿化模式,既满足植物造景需要,又能有效覆盖地面、增加绿地量,提高观赏效果。

(4)在阴坡上推广沙地柏种植。

沙地为西宁地区目前独一无二的常绿地衩植物,因其植株贴地生长、枝态舒展、四季常青、管理粗放,因此特别适合在坡地生长,但必须是阴坡种植。

参考文献:[1]吴中伟1绿色高性能混凝土与科技创新[J]1建筑材料学报,1998,1(1):1-71[2]Glavind M,Munch-Petersen C1Green concrete in Denmark[J]1Structural Concrete,2000(1):1-61[3]Mzuguchi H1A review of envir onmentally friendly concrete[J]1I ndian-Concrete Journal,1998,36(3):257-2631[4]李湘洲1走向可持续发展的生态混凝土技术[J]1中国建材,2003(1):34-351[5]刘荣桂,吴智仁,陆春华,等1护堤植生型生态混凝土性能指标及耐久性概述[J]1混凝土,2005(2):18-201[6]陈志山1用于水污染治理的生态混凝土技术[J]1建筑材料学报,2001,4(1):60-641[7]刘荣桂,万炜,吴智仁,等1淹水区边坡的生态型护坡技法及其耐久性研究[J]1混凝土,2005(8):23-281[8]吴智仁,陆春华,刘荣桂,等1现浇护堤植生型生态混凝土性能指标及耐久性能[J]1江苏大学学报(自然科学版),2006,27(1):71-741[9]吴国雄,王晨,王瑞燕,等,透水混凝土结构特点及其透水性能研究[J]1重庆交通学院学报,2006(5):16-171[10]李成凯,刘连新,张伟勤,等1生态混凝土在青藏高原地区的试验研究及工程应用[J]1混凝土,2008(1):114-1171(责任编辑李渝珍)。

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基于有限元方法对C6140机床主轴的分析毕业设计论文

基于有限元方法对C6140机床主轴的分析毕业设计论文

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第
1
ANSYS由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，它能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, I－DEAS, AutoCAD等， 是现代产品设计中的高级CAE工具之一。
1
ANSYS有限元软件包是一个多用途的有限元法计算机设计程序，可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。因此它可应用于以下工业领域： 航空航天、汽车工业、生物医学、桥梁、建筑、电子产品、重型机械、微机电系统、运动器械等。
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本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
本设计是基于ANSYS软件来对C6140机床主轴经行分析。与传统的计算相比，借助于计算机有限元分析方法能更加快捷和精确的得到结果。设置正确的模型、划分合适的网格，并合理设置求解过程，能够准确的获得分析模型各个部位的应力、变形等结果。对零件的设计和优化有很大的参考作用。
正是因为上述优点，我在本设计中运用PRO/E来建立C6140机床主轴的三维模型。再将此模型导入ANSYS软件来对其经行分析。
CJK6132数控机床设计——主轴的有限元分析

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广西工学院毕业设计（论文）任务书设计题目：CJK6132数控机床设计——总体方案设计及主轴的有限元分析系别：机械工程系专业班级：姓名：学号：指导教师：二O一五年三月十五日一、毕业设计（论文）的内容1、完成CJK6132数控车床总体设计方案，完成外观及尺寸联系图。

2、进行主要技术参数的确定，完成主轴及主轴组件的设计，绘制主轴零件图。

3、完成主轴的力学分析，建立主轴的力学模型，确定主轴的典型工况。

4、完成主轴的静态分析并。

5、完成主轴的动态分析。

6、完成主轴的模态分析。

7、试验方案的拟定。

二、毕业设计（论文）的要求与数据2、要求。

（1）根据总体设计方案，绘制总体外观图及联系图，完成整机三维建模。

（2）确定设计方案完成开题报告。

（3）进行主运动系统的设计,绘制主传动系统装配（床头箱展开）及相应零部件图。

（4）图纸量不少于折合4张A0。

（5）科技译文（不少于3000汉字）。

（6）编写毕业设计说明书一套。

（7）根据课题内容进行实习，并完成实习报告一份。

三、毕业设计（论文）应完成的工作如上要求四、毕业设计（论文）进程安排五、参考资料及文献查询方向、范围1 罗学科，谢富春. 数控原理和数控机床.北京：化学工业出版社，20032 陈蔚芳，王洪涛. 机床数控技术及应用.北京：科学出版社，20053 文怀兴，夏田. 数控机床系统设计.北京：化学出版社，20054 林宋，田建君.现代数控机床.北京：化学出版社，20035 CNC Technology and Progranming; [美]Steve Krar & Arthur Gill6 Smith S, Tlusty J. Currrent Strends in High Speed Machining. Journal ofManufacture Science and Technology,ASME,1997,37(8):664～6677 《机床设计手册》编写组编。

机床主轴的振动有限元模态分析

机床主轴的振动有限元模态分析

针对CK6130卧式数控车床的具体现状，运用ANSYS Workbench有限元分析软件，对数控车床的主轴进行模态分析，可以判断出主轴的工作状况，根据实验条件来分析进行优化设计，以提高车床的加工精度和工作性能。

模态分析是动力学分析的基础。

1　车床主轴的模态分析作为最简单的动力学分析，模态分析具有非常广泛的使用价值。

当惯性和阻尼起着重要作用时，动力学分析可以分析出该结构的动力学行为。

典型的动力学行为有结构的振动、自振频率、载荷随时间变化的效应或交变载荷激励效应等。

本文选用的ANSYS Workbench默认的求解器是程序自动控制类型。

模态分析的本质上是求解特征值和特征向量（也称为模态提取）。

弹性模量、泊松比和材料密度这3个因素是模态分析的决定因素[1]。

同时，自由模态分析和约束模态分析是模态分析的两种不同类型。

为了贴近实际工况，分析是约束模态分析。

2　模态分析的建模与加载及求解本文直接把三维实体模型拉进ANSYS Workbench中的geometry模块，再用ANSYS Workbench的modal分析功能分析该三维模型。

建立三维模型后，划分车床主轴的网格，划分依据软件的默认划分功能，划分后的节点是40256，网格数是23026。

对于材料属性参数赋值，取弹性模量E=2.10E+11Pa，泊松比0.3，密度p=7850kg/m3。

实体单元类型是Soli45，建立车床主轴的模态有限元仿真模型。

对机床主轴进行网格划分后加载模型。

自由度约束是模态分析（自由模态）中唯一起作用的输入变量，把车床主轴系统的轴承部分的切向进行约束。

而轴向和径向都自由的圆面约束，由于主轴是圆周约束没有固定约束，只需圆周约束即可。

由于分析的对象是车床主轴，为了更加贴合实际，现将两个轴承段的圆柱面处加载弹性支撑，角接触球轴承是432N/mm3，另一处轴承是双列圆柱滚子轴承，数值是368 N/mm3，刀具对主轴的作用力为495.5N。

卧式加工中心整机的静动态有限元分析

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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。