机床主轴有限元分析

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。

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。

收稿日期:2007211204基金项目:国家自然科学基金资助项目(50475052)・作者简介:张耀满(1972-),男,辽宁沈阳人,东北大学讲师,博士;刘永贤(1945-),男,辽宁台安人,东北大学教授,博士生导师・第29卷第10期2008年10月东北大学学报(自然科学版)Journal of Northeastern University (Natural Science )Vol 129,No.10Oct.　2008高速机床主轴部件有限元分析张耀满1,刘春时2,谢志坤2,刘永贤1(1.东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳　110004; 2.沈阳机床(集团)有限责任公司,辽宁沈阳　110142)摘 要:在对主轴部件分析模型进行研究的基础上,采用弹簧阻尼单元模拟轴承支承的方法,建立了主轴部件动力学分析有限元模型・分别建立了采用两组和三组弹簧阻尼单元,且弹簧阻尼单元沿圆周方向以不同角度布置的机床主轴有限元模型,分析了不同支承情况及弹簧阻尼不同布置角度对主轴模态分析的影响・在对比分析的基础上,确定了合理的分析模型・以沈阳第一机床厂研制和开发的CHH6125高速数控机床主轴为对象,对主轴部件进行有限元模态分析和谐响应分析,并将其和机床试验的结果进行对比,验证了有限元分析模型的正确性・关　键　词:数控机床;高速机床;主轴部件;有限元分析;动态性能中图分类号:TG 502.14 文献标识码:A 文章编号:100523026(2008)1021474204FEA on the Spindle Assembly of High Speed Machine ToolZHA N G Y ao 2m an 1,L IU Chun 2shi 2,X I E Zhi 2kun 2,L IU Yong 2xian1(1.School of Mechanical Engineering &Automation ,Northeastern University ,Shenyang 110004,China ; 2.Shenyang Machine Tool (Group )Co.Ltd.,Shenyang 110142,China.Corres pondent :ZHAN G Y ao 2man ,E 2mail :zhymlxl @ )Abstract :The finite element dynamic analysis model of the spindle assembly was developed by taking the advantage of the spring 2damper elements to simulate the bearing supports.The FEA model were developed first by introducing 2or 3groups of circumferential spring 2damper elements which were arranged at different angle around the spindle ,then the effect of different supporting conditions and different arrange angles on the modal analysis of the spindle assembly were comparatively discussed to select the most rational FEA modal.The modal analysis and harmonic analysis were both made to confirm the dynamic characteristics of spindle assembly of CHH6125high 2speed NC machine tool developed and manufactured by Shenyang No.1Plant of Machine Tools ,and the results were compared with the testing ones.The correctness of the FEA model is available to the dynamic performance of the spindle assembly.K ey w ords :NC machine tool ,high 2speed machine tool ,spindle assembly ,FEA ,dynamic performance数控机床的高速化是其主要发展趋势之一・主轴部件是数控机床最为关键的部件,其动、静态性能对机床的最终加工性能有非常重要的影响[1]・随着机床速度和精度的提高,对其关键部件的静动态性能提出了更高的设计和加工制造要求・因此,国内外研究机构和科研院所对主轴部件的动、静态性能展开了广泛、深入的研究[2-4]・数控机床的主轴结构抵抗受迫振动一般都没有问题,因此对主轴部件的研究主要是确定不产生切削自振的条件・由于切削自振频率往往接近主轴部件横向振动的低阶固有频率,所以可以认为主轴部件的低阶横向振动模态是决定其切削自振的主要模态・在分析主轴部件时,主轴前端切削部位激振点的动柔度即反映了主轴部件的抵抗切削自振的能力・研究表明:对于中型车床在不同频率的动载荷作用下,各个部件反映在刀具与工件切削处的综合位移中主轴部件所占比例最大・因此,通过对高速数控机床的主轴部件的仿真分析方法进行研究,在产品设计阶段,分析主轴部件的动静态性能,对于提高机床产品的设计水平具有非常重要的理论和现实意义・以沈阳第一机床厂生产的某高速数控车床为研究对象,研究了采用弹簧阻尼单元来模拟轴承支承的有限元模型的建立方法,分别进行了模态分析和谐响应分析,得到了主轴和主轴部件的动态特性・最后结合机床性能试验探讨并验证了边界条件参数的合理选择・通过有限元分析和机床性能试验,验证了所采用的有限元分析方法的可行性,为以后进行类似的主轴部件有限元分析打下了基础・1　高速机床主轴结构以沈阳第一机床厂生产的CHH6125机床主轴为研究对象・该机床采用对置双主轴结构,两主轴均采用内装式电主轴,并同时配备了伺服动力刀架,是具有钻、铣削功能的高速、高效车削中心[1]・该机床第一主轴的结构如图1所示・图1　机床第一主轴结构Fig.1　Construction of the first spindle assembly主轴轴承采用NSK 高精密陶瓷球轴承・主轴前支承采用内锥孔双圆柱滚子轴承来承受径向力,提高机床主轴径向刚度和主轴回转精度,采用背靠背安装的角接触球轴承来主要承受轴向力,降低主轴轴向窜动量,提高轴向刚度;后支承采用内锥孔的双圆柱滚子轴承,起到径向支承作用・2　有限元模型的建立在建立有限元模型的过程中,采用弹簧-阻尼单元模拟轴承的弹性支承,每个支承采用4个沿圆周方向均匀分布的弹簧-阻尼单元来模拟[5-6]・分别建立了使用两组弹簧和三组弹簧来模拟主轴支承情况的模型,如图2所示・三组弹簧模型在两组弹簧模型的基础上,增加了单独对角接触轴承的模拟,位置取为两个角接触轴承之间的中截面处,用以考察角接触球轴承对主轴横向振动特性的影响・图2　主轴支承弹簧-阻尼模型Fig.2　Model of spring 2damper elements ofspindle support(a )—两组弹簧支承;(b )—三组弹簧支承・由于主轴轴承的轴向刚度很大,阻尼对横向振动特性影响很小,所以在建立有限元模型中只考虑径向刚度影响,利用4个沿周向均布的弹簧-阻尼单元来模拟轴承支承・采用两组弹簧阻尼单元模型的前支承处弹簧刚度为0114GN/m ,后支承的弹簧刚度为0111GN/m ;采用三组弹簧阻尼单元模型的前支承处弹簧刚度为0114GN/m ,中间支承刚度为0105GN/m ,后支承处弹簧刚度为0111GN/m ・主轴零件采用S olid 92单元・主轴轴承支承部分模型是在每个圆周截面上沿圆周均布4个弹簧阻尼单元,弹簧单元的长度按照各处轴承的内外圈半径确定・外圈节点利用关键点(key points )建立,内圈节点采用硬点(hard PT )建立,同时保证弹簧单元的划分数目为1・所有弹簧阻尼单元外部4个节点限制全部自由度,前端内锥孔轴承支承内部4个节点限制轴向自由度・三组弹簧阻尼单元情况下的第一主轴有限元模型如图3所示・图3　三组弹簧阻尼单元有限元模型Fig.3　FE A model of 32group spring 2damper elements5741第10期 张耀满等:高速机床主轴部件有限元分析3　有限元分析结果及其说明3.1　主轴零件模态分析结果分别采用两组弹簧-阻尼单元和三组弹簧-阻尼单元对主轴零件进行分析・另外,为了研究每个支承处弹簧-阻尼单元沿圆周方向布置角度对主轴固有特性的影响,对弹簧-阻尼单元在圆周方向相对错开一定角度α的情况进行了分析・主轴模态分析的结果如图4所示・由图4a可知采用两组或三组弹簧-阻尼单元支承主轴,对于模态分析来说影响不大,分析时可以采用任何一种形式・在后续的计算过程中,采用两组弹簧阻尼单元来进行分析・图4b为弹簧-阻尼单元沿圆周方向变化后的计算结果・以α=0°作为参考,对相对于基准情况下逆时针方向旋转15°,30°和45°的情况进行了分析・由图4b可以看出,弹簧-阻尼单元沿圆周方向的布置角度不同,其计算结果差异很小・图4　主轴模态分析计算结果Fig.4　Calculation re sult of modal analysis of spindle assembly(a)—两、三组支承情况;(b)—不同角度布置情况・3.2　主轴部件分析计算结果3.2.1　模态分析结果在进行完主轴零件的有限元分析后,对主轴部件进行了有限元分析・通过上面对主轴零件的分析,可知采用两组弹簧阻尼单元和三组弹簧阻尼单元的分析,以及弹簧阻尼单元沿圆周方向角度不同的情况的分析,发现计算结果在固有频率计算结果方面差异不大・因此选择采用两组弹簧阻尼单元来分别模拟主轴部件的前后支承・图5是不计油缸、卡盘和皮带轮,两组弹簧情况下,机床主轴组件的模态分析结果图片・图5　第一主轴部件有限元分析结果Fig.5　FE A re sult of the first spindle assembly通过计算可知,主轴部件的1～6阶固有频率分别为0,300,301,326,330,513Hz・分析计算表明:每种情况一阶固有频率都为零,表现为主轴的转动;相邻的两阶频率相近,视为重根,模态相互独立且正交・3.2.2　谐响应分析结果在主轴前端卡盘施加力为918N,在150～550Hz频率范围,采用stepped方式,分为50步,施力点的径向响应位移频率曲线如图6所示・图6　第一主轴部件谐响应分析结果Fig.6　Harmonic frequency re sponse analysis of thefirst spindle assembly4　机床性能试验与分析试验使用B&K振动测试设备进行测量・在进行试验的过程中,是在主轴的前端装夹一圆形工件70mm×100mm,并且在其端部安装阻抗头来实现测量・激振力为10N,测量频率范围为20～10kHz・试验中采用稳态正弦激振,激振信号由正弦信号发生器施加一个频率可控的正弦激振力・在稳态下测定响应和激振力的幅值比和相位差・6741东北大学学报(自然科学版) 第29卷为测得整个频率范围内的频率响应,需在多个频率处进行系统稳态试验・图7为第一主轴激振结果,0dB 时振动速度为0101mm/s・图7　第一主轴x 方向激振振动速度-频率曲线Fig.7　Vibration te sting re sult in x direction由于是在整机装配后激励主轴前端,因此机床整机的固有特性都将在其振动结果中有所体现・测量的结果可以理解为机床的各阶模态在测量点的综合反映[7-8]・从第一主轴试验结果可知:一阶固有频率为287Hz ,机械导纳为01232mm/(s ・N -1),动柔度为01128μm/N ;二阶固有频率为116kHz ,机械导纳为016839mm/(s ・N -1),动柔度为010681μm/N ・将该结果和有限元分析的结果进行对比,误差比较小,能够满足工程设计的基本要求・5　结 语有限元分析结果和试验结果吻合较好,说明有限元模型可以应用于类似主轴部件的分析・可以在轴承支承处用沿圆周方向均匀布置的弹簧阻尼单元来实现对轴承支承的模拟・弹簧阻尼单元沿圆周方向角度的变化对分析结果影响很小・为了进一步提高有限元模型的精度,建议通过试验对关键参数进行识别,并对有限元模型做必要的改进・参考文献:[1]Zhang Y M ,Lin X L ,Wang X D ,et al .The study on the dynamic characteristic of high speed machine tool and experiment validate[J ].A dvancesi nM aterialsM anuf act uri ng Science and Technology ,2004,471/472:571-576.[2]Krulewich AK.Temperature integrationmodel andmeasurement point selection for thermally induced machine tool errors[J ].Mechat ronics ,1998(8):395-412.[3]Lin C W ,Tu J F ,Kamman J.An integrated thermo 2mechanical 2dynamic modal to characterize motorized machine tool spindlesduringveryhighspeedrotation [J ].International Journal of M achi ne Tool &M anuf act uri ng ,2003,43:1035-1050.[4]Ramesh R ,Mannan M A ,Poo A N.Support vector machines model for classification of thermal error in machine tools[J ].A dvanced M anuf act uri ng Technology ,2002,20:114-120.[5]K im S M ,Lee S K ,Lee K J.Effect of bearing surroundings on the high 2speed spindle 2bearing compliance [J ].A dvancedM anuf act uri ng Technology ,2002,19:551-557.[6]K im S M ,Lee K J ,Lee S K ,Effect of bearing support structure on the high 2speed spindle bearing compliance [J ].International Journal of M achi ne Tool &M anuf act uri ng ,2002,42:365-373.[7]Schmitz T ,Davies M ,Dutterer B ,et al .The application of high 2speed CNC machining to prototype production [J ].International Journal 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《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。

毕业设计说明书基于有限元方法对C6140机床主轴的分析学院：专业：班级：指导教师：学生姓名：2011．5．10I本科毕业论文摘要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。

C6140机床是最常见的一款普通手动车削机床，该机床结构较为简单，操作方便，加工精度高，价格低廉，因此得到了广泛的使用。

目前很多C6140机床都做了适当的改进，使其适用性得到了更大的提高。

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。

关键词C6140；主轴；三维建模；ANSYS；动静态分析Qq 945846125IIIII本科毕业论文AbstractANSYS (finite element) package is a multi-purpose finite element method for computer design program that can be used to solve the structure, fluid, electricity, electromagnetic fields and collision problems. So it can be applied to the following industries: aerospace, automotive, biomedical, bridges, construction, electronics, heavy machinery, micro-electromechanical systems, sports equipment and so on.C6140 machine is the most common a regular manual turning machine, the machine structure is simple, convenient operation, high precision, low prices, it has been widely used. At present, many have made the appropriate C6140 machine improvements, it has been greatly enhanced applicability.The design is based on ANSYS software to C6140 by the line of spindle. Compared with the traditional calculation, computer-based finite element analysis method can be faster and more accurate results. Set the correct model, dividing the right grid, and set a reasonable solution process, analytical model can accurately access the various parts of the stress and deformation results. On the part of the design and optimization has great reference.It is because of these advantages, the use of this design in my PRO / E to create three-dimensional model C6140 spindle. Then this model was introduced by the ANSYS software to its line of analysis.Keywords C6140; spindle; three-dimensional modeling; ANSYS; dynamic and static analysisIVV本科毕业论文目录摘要...................................................................................................................I I Abstract.. (IV)目录 (VI)前言 (1)第一章分析方法和研究对象 (3)1.1 ANSYS简介 (3)1.1.1ANSYS的主要应用领域 (3)1.2研究对象 (5)1.2.1C6140车床简介 (7)1.2.2C6140车床主轴箱 (10)1.2.3C6140车床主轴 (13)第二章C6140机床主轴的模型建立 (15)2.1 主轴二维制图 (15)2.2 主轴三维建模 (16)2.2.1 PROE软件简介 (16)2.2.2 PROE建立主轴模型方法 (19)第三章C6140机床主轴的受力特点 (23)3.1 主轴组件的布局 (23)3.2 主轴组件的受力 (24)3.3 C6140机床主轴简化受力模型·····································错误！未定义书签。