機(jī)床商務(wù)網(wǎng)技術(shù)文章
簡單分析電主軸系統(tǒng)的有限元
閱讀：88 發(fā)布時(shí)間：2020-8-12引言
高速數(shù)控機(jī)床電主軸的動(dòng)態(tài)特性嚴(yán)重影響機(jī)床的加工性能 直接制約著機(jī)床的加工質(zhì)量和精度 近年來 國內(nèi)外學(xué)者對(duì)電主軸進(jìn)行了大量研究 研究成果顯著 采用有限元和試驗(yàn)分析對(duì)數(shù)控機(jī)床主軸部件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析 驗(yàn)證數(shù)控銑床主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性[1]利用彈簧阻尼單元模擬軸承支承的方法 建立主軸系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型 并對(duì)高速數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)進(jìn)行了模態(tài)和諧響應(yīng)分析[2]Lin 利用有限單元法建立電主軸的動(dòng)力學(xué)模型 結(jié)合熱效應(yīng)的作用 通過動(dòng)力學(xué)模型預(yù)測熱預(yù)緊力對(duì)軸承剛度的影響[ ]本文以某機(jī)床電主軸為研究對(duì)象 建立 主軸-軸承 的主軸系統(tǒng)有限元模型 通過模態(tài)分析驗(yàn)證主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性以及諧響應(yīng)分析得到主軸剛度 驗(yàn)證主軸剛度是否滿足設(shè)計(jì)要求
主軸系統(tǒng)的有限元模型建立
本文采用命令流輸入法直接在 ANSYS 中建模 主軸的幾何模型采用自底向上的創(chuàng)建方法 先創(chuàng)建一個(gè)二分之一主軸二維平面的PLANE42 單元 然后沿主軸軸心線 360 擠壓出主軸 為了使計(jì)算結(jié)果精確 主軸采用 SOLID45 單元 選擇六面體單元為網(wǎng)格劃分單元 形成 60396 個(gè)單元 66492 個(gè)結(jié)點(diǎn) 通過三維實(shí)體單元和彈簧阻尼單元相結(jié)合的方式 建立主軸系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型 模型相關(guān)參數(shù)設(shè)置 彈性模量為 2.07e11Pa 泊松比為 0.25 材料密度為 7800Kg/m3
在模型中 以 66481 66492 這 12個(gè)結(jié)點(diǎn)及其對(duì) 應(yīng)的點(diǎn)建立 12 個(gè)COMBIN14 彈簧阻尼單元 彈簧剛度前端徑向?yàn)?/span> 306N/ m 軸向?yàn)?/span> 26 N/m 后端徑向?yàn)?/span> 87N/ m 主軸的約束按照主軸的實(shí)際裝配情況 主軸前端軸向和徑向同時(shí)約束 后端只約束徑向 即約束 66481 66488 結(jié)點(diǎn)的 X 和Z 方向 約束 66489 66492 結(jié)點(diǎn)的 Y方向 約束及網(wǎng)格劃分如圖 1 所示
主軸系統(tǒng)有限元分析
2.1 主軸系統(tǒng)模態(tài)分析
機(jī)床主軸系統(tǒng)理論上是由無數(shù)個(gè)固有頻率及相對(duì)應(yīng)振型組成具有無限多個(gè)自由度的系統(tǒng) 通常在模態(tài)分析時(shí) 只需考慮幾個(gè)低頻固有模態(tài)即可 本文只取 10 階模態(tài) 通過 ANSYS 軟件計(jì)算得到的各階固有頻率如表 1 所示 前六階振型如圖2所示
由表 1 可以看出主軸的工作區(qū)間能有效避開共振區(qū) 不會(huì)發(fā)生同頻共振 此外 各階固有頻率之間有一定的差距 也不會(huì)出現(xiàn)頻率靠的很近發(fā)生諧振影響機(jī)床精度 因此 數(shù)控縱切機(jī)床主軸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理
2.2 主軸諧響應(yīng)分析
在主軸端面第 24967 號(hào)結(jié)點(diǎn)施加大小為 1000N 的軸向激振力 結(jié)果如圖 所示 由圖可知 當(dāng)激振力的頻率位于 800 900Hz 之間時(shí) 主軸前端的軸向響應(yīng)位移急劇增加主軸的動(dòng)剛度顯著下降 在 1400l600Hz 時(shí) 主軸軸向響應(yīng)也較大 主軸軸向響應(yīng)在 825.89Hz 時(shí)達(dá)到大 此時(shí)的振幅為
， 數(shù)控縱切機(jī)床主軸的動(dòng)剛度為 3.3N/m 滿足主軸剛度的設(shè)計(jì)要求
結(jié)論
通過建立數(shù)控縱切機(jī)床的 主軸-軸承 主軸系統(tǒng)的有限元模型對(duì)主軸系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析獲得各階固有頻率及振型 主軸系統(tǒng)的二階固有頻率為 825.89Hz 遠(yuǎn)小于機(jī)床主軸高轉(zhuǎn)速 8000 r/min 對(duì)應(yīng)的頻率 所以主軸的工作區(qū)間能有效避開共振區(qū) 不會(huì)發(fā)生同頻共振 驗(yàn)證了主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性 通過對(duì)主軸系統(tǒng)進(jìn)行諧響應(yīng)分析 獲得在1000N 的軸向激振力下 主軸軸向的振幅為
，動(dòng)剛度為3.3N/ m 滿足設(shè)計(jì)要求
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