基于ANSYS Workbench的數(shù)控插齒機(jī)主軸分析

楊世成，王海文，郭 衛(wèi)

(1.張家口職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北張家口075051;2.西安科技大學(xué)，陜西西安710054)

基于ANSYS Workbench的數(shù)控插齒機(jī)主軸分析

楊世成1，王海文2，郭 衛(wèi)2

(1.張家口職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北張家口075051;2.西安科技大學(xué)，陜西西安710054)

采用ANSYY Workbench對(duì)數(shù)控插齒機(jī)主軸進(jìn)行有限元分析。在軟件DM中建立主軸模型，利用軟件的自動(dòng)劃分網(wǎng)格技術(shù)劃分網(wǎng)格，并施加載荷和約束、求解;利用輸出的主軸的正應(yīng)力曲線、主軸總變形和主軸在Y方向的變形曲線對(duì)主軸性能進(jìn)行分析。

ANSYS;插齒機(jī);主軸

引 言

數(shù)控插齒機(jī)是加工齒輪的重要工藝裝備，在加工內(nèi)齒圈、多聯(lián)齒輪等方面，具有滾齒加工所不具備的優(yōu)勢(shì)。數(shù)控插齒機(jī)主軸是數(shù)控插齒機(jī)中關(guān)鍵零件之一，主軸的強(qiáng)度、剛度對(duì)齒輪加工有重要影響。利用機(jī)械CAE技術(shù)對(duì)機(jī)械零部件進(jìn)行性能分析可以縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，節(jié)約產(chǎn)品研發(fā)費(fèi)用。

有限元分析技術(shù)是機(jī)械CAE技術(shù)的重要組成部分，在眾多的有限元分析技術(shù)中，美國(guó)ANSYY公司開發(fā)的ANSYY Workbench為有限元分析提供了一個(gè)較為完善的平臺(tái)，該平臺(tái)不僅集成了有限元分析所需要的操作模塊，而且對(duì)機(jī)械可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)、流體等耦合分析。本文采用

1.2 主軸建模

主軸零件表面為回轉(zhuǎn)體，可以直接在ANSYY ANSYY Workbench 12.0對(duì)數(shù)控插齒機(jī)主軸進(jìn)行性能分析。

1 主軸有限元模型的建立

主軸有限元模型是在主軸建?；A(chǔ)上進(jìn)行網(wǎng)格劃分后得到的。因此主軸有限元模型的建立過(guò)程是：首先確定主軸的結(jié)構(gòu)和尺寸，對(duì)主軸進(jìn)行建模，然后對(duì)主軸進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

1.1 主軸結(jié)構(gòu)和尺寸的確定

數(shù)控插齒機(jī)主軸結(jié)構(gòu)與普通插齒機(jī)主軸結(jié)構(gòu)類似，主軸一端安裝軸承和蝸輪，主軸中間與讓刀機(jī)構(gòu)中的滑動(dòng)套相連接，主軸另一端的莫氏錐孔安裝接刀套(主軸莫氏錐孔沒有畫出)，承受插齒刀對(duì)主軸的作用。主軸結(jié)構(gòu)如圖1所示。主軸結(jié)構(gòu)和尺寸采用類比法確定。Workbench軟件中的DM(Geometry)界面進(jìn)行建模。創(chuàng)建的主軸實(shí)體模型見圖1。

圖1 主軸實(shí)體模型

1.3 主軸實(shí)體模型網(wǎng)格劃分

主軸表面為回轉(zhuǎn)面，各段直徑相差不大，采用ANSYY Workbench軟件Model界面中的“Mesh”工具對(duì)主軸進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分，“Relevance”設(shè)置為“100”，“Smoothing”設(shè)置為“中”，“初始種子”選用“Part”，主軸劃分網(wǎng)格后的模型如圖2所示。主軸網(wǎng)格劃分采用四面體單元，單元數(shù)目為46726個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)目為29987個(gè)。

圖2 主軸網(wǎng)格劃分模型

2 施加載荷和約束

通過(guò)計(jì)算確定主軸右端蝸輪處的作用力為：Ft22=86258N，F(xiàn)a22=7096N，F(xiàn)r22=31395N，主軸左端承受的插齒切削力為FD=47679N。主軸受力計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 主軸受力計(jì)算模型

圖中，E點(diǎn)為蝸輪受力作用點(diǎn)，B點(diǎn)為主軸安裝軸承處，C點(diǎn)為主軸與滑動(dòng)套的連接點(diǎn)，D點(diǎn)為主軸承受的切削力作用點(diǎn)。主軸所受約束在B點(diǎn)和C點(diǎn)。主軸軸承所受軸向力在圖中沒有畫出。

由于E點(diǎn)和D點(diǎn)不在主軸表面，需要施加遠(yuǎn)程載荷，對(duì)主軸B點(diǎn)施加固定約束，對(duì)主軸C點(diǎn)施加位移約束。施加載荷和約束后的主軸模型如圖4所示。

圖4 施加載荷和約束后的主軸模型

3 結(jié)果查看和分析

通過(guò)求解可以獲得主軸應(yīng)力分析云圖和主軸變形云圖。其中主軸最大拉應(yīng)力與主軸表面產(chǎn)生的裂紋有關(guān);主軸最大彎曲變形與插齒機(jī)加工齒輪的精度有關(guān)。主軸正應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 主軸正應(yīng)力云圖

從圖中可以看出，插齒機(jī)主軸最大應(yīng)力發(fā)生在主軸與蝸輪接觸處，為 36.484MPa，最小應(yīng)力為 -74.435MPa，滿足主軸強(qiáng)度要求。

插齒機(jī)主軸的總變形如圖6所示。

圖6 插齒機(jī)主軸的總變形

主軸的總變形為0.1988mm，發(fā)生在主軸的最左端。主軸變形在許可范圍內(nèi)。主軸在Y方向的變形如圖7所示。

圖7 插齒機(jī)主軸Y方向變形

從圖中看出，插齒機(jī)主軸Y方向的最大變形在主軸最 左端，為0.189mm。

結(jié)論

(1)主軸正應(yīng)力云圖中，最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力并不相等，壓應(yīng)力大于拉應(yīng)力，說(shuō)明主軸承受彎曲載荷的同時(shí)還承受軸向載荷，這與主軸實(shí)際受載相符。

(2)主軸總變形云圖顯示主軸總變形為0.1988mm，Y軸的變形云圖顯示主軸在Y方向的變形為0.189mm，這說(shuō)明主軸Y方向變形是主軸變形的主要原因，主軸的最大彎曲變形發(fā)生在主軸安裝接刀套處，主軸在此處的剛性較差。

Spindle Analysis of Numerical Control Gear Slotting Machine Based on ANSYS Workbench

YANG SHI-cheng1，WANG HAI-wen2，GUO Wei2
(1.Zhangjiakou Vocational and Technical College，Zhangjiakou，Hebei 075000;2.Xi’An University of Science and Technology，Xi’An，Shanxi 710054)

Spindle of Numerical Control gear slotting machine，is analyzed by ANSYS Workbench.Spindle model is created in DM of the software，mesh are generated through using automatic mesh partition techniques of software on spindle.Loads and restraint forces are applied on the spindle FEM model.The spindle total deformation curve，the spindle Y directional deformation curve，and the spindle normal stress curve are obtained.It analyzes the spindle performance to use these simulation curves.

ANSYS;gear slotting machine;spindle

TG613

A

1008-8156(2011)02-0052-03

2011-04-18

2011-05-20

楊世成(1967-)，男，河北涿鹿人，張家口職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系副教授。研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)與制造。