淺析利用ANSYS軟件合理設(shè)計(jì)機(jī)床主軸支撐跨距

張振山 丁凱軍 鄭越超 陳文杰

（河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 邢臺 054048）

淺析利用ANSYS軟件合理設(shè)計(jì)機(jī)床主軸支撐跨距

張振山 丁凱軍 鄭越超 陳文杰

（河北機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 邢臺 054048）

主要介紹了在機(jī)床設(shè)計(jì)時，利用ANSYS軟件分析技術(shù)，合理計(jì)算主軸支撐跨距的步驟、方法，以圖示的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并對結(jié)果進(jìn)行了分析，從而提高機(jī)床的使用性能。

機(jī)床主軸 支撐跨距 幾何建模 分析

金屬切削加工中，機(jī)床主軸與工件、刀具、夾具組成工藝系統(tǒng)，影響加工過程。機(jī)床主軸支承跨距對工藝系統(tǒng)剛性、主軸前端切削點(diǎn)處變形影響較大，如果設(shè)計(jì)不合理，將嚴(yán)重影響機(jī)床切削性能。因此在設(shè)計(jì)時，利用成熟的軟件技術(shù)，通過動態(tài)優(yōu)化的方法來研究主軸支承跨距對主軸的靜、動態(tài)特性及靈敏度變化規(guī)律，從而合理確定支撐跨距，在機(jī)床設(shè)計(jì)中就顯得意義重大。

1 分析步驟

（1）使用Pro/E或其它三維CAM軟件為機(jī)床主軸（圖1a）建立三維幾何模型，經(jīng)過簡化處理后的主軸實(shí)體模型如圖1b所示。

（2）把主軸實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS有限元軟件，轉(zhuǎn)成有限元模型（圖2）。分析時對主軸統(tǒng)一采用實(shí)體單元來劃分，主軸與主軸箱體之間的連接采用線性彈簧-阻尼單元來模擬滾動軸承的連接，將主軸箱體剛度折算到主軸軸承剛度上；卡盤和帶輪在本文計(jì)算中簡化為兩個集中質(zhì)量單元分別作用于主軸上。計(jì)算中實(shí)體單元采用SOLID45單元，該單元節(jié)點(diǎn)所對應(yīng)的自由度為UX、UY、UZ，與線性彈簧-阻尼單元的節(jié)點(diǎn)自由度一致。整個結(jié)構(gòu)一共劃分了68 760個實(shí)體單元、8個彈簧-阻尼單元和2個集中質(zhì)量單元，實(shí)體單元的劃分由計(jì)算機(jī)自動完成。

（3）計(jì)算時，主軸的支承跨距分別取270、290、310、331、350、370 mm，然后，進(jìn)行有限元靜力、模態(tài)分析計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果利用MATLAB軟件通過樣條曲線插值畫出跨距對主軸性能的影響變化曲線（圖3～6），分別為主軸跨距對主軸前端靜變形、前3階固有頻率的影響變化曲線。

2 結(jié)果分析

（1）由主軸前端靜態(tài)變形相對跨距的靈敏度變化曲線（圖3）可知，該主軸的最優(yōu)跨距為330～345 mm左右，原主軸跨距為331 mm，位于最優(yōu)跨距范圍，因此，該機(jī)床的主軸跨距設(shè)計(jì)基本上是合理的。

（2）隨著跨距的增大，主軸部件的第1、2階固有頻率呈線形增大的變化趨勢，而第三階固有頻率沒有大的變化（圖4）。

（3）主軸前端Y方向上的響應(yīng)峰值第2、3階相差較大（第3階響應(yīng)峰值約為第2階的5倍），增大主軸跨距雖然使第二階諧振峰值略有上升，但可以使薄弱模態(tài)Y向第三階模態(tài)的諧振峰值有所下降，比如將跨距從331 mm增大到340 mm，則該階模態(tài)的諧振峰值約可降低1.5 mm（圖5）。

（4）在主軸前端Z方向上，第2、3階模態(tài)的諧響應(yīng)峰值都很小，且在跨距為331～340 mm之間變化不大（圖6）。

（5）歸納上述4點(diǎn)，可知當(dāng)前跨距能夠基本滿足主軸部件靜態(tài)特性要求，而且Z方向上的動態(tài)特性也令人滿意，但是從提高Y方向第3階模態(tài)的動柔度特性來看，可以將主軸跨距適當(dāng)增加到340 mm。

[1]鐘日銘.Pro/ENGINEER野火版工業(yè)設(shè)計(jì)經(jīng)典手冊[M].北京：郵電出版社，2007.

[2]王湘江.綜合運(yùn)用CAXA、Pro-EENGINEER和ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)齒輪[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2006（6）.

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Analysis of Design The Machine Tool Spindle Supported Span Rationally Using ANSYS Software

ZHANG Zhenshan，DING Kaijun，ZHENG Yuechao，CHEN Wenjie
（Hebei Mechanical and Electrical Professional Technology Institute，Xingtai 054048，CHN）

This paper describes the machine tool design，using ANSYS software analysis techniques，supported by a reasonable calculation of spindle span the steps，methods and ways of being represented graphically data analysis，and the results is analyzed so as to enhance the use of machine performance.

Machine Tool Spindle；Support Span；Geometric Modeling；Analysis

張振山，男，1976年生，碩士生，講師，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造技術(shù)。

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（收修改稿日期：2009-12-04）

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