机床主轴的-SolidWorks建模与有限元分析

("机床主轴的SolidWorks建模与有限元分析刘丹萍;蒋占四;冯建国;胡志鹏【摘要】机床主轴是机床的核心部件之一，使用SolidWorks建立数控机床主轴的三维实体模型，利用SolidWorks与AN-SYS之间的数据交换，将其导入ANSYS中，弥补了ANSYS在进行复杂结构建模时的局限性。建立了有限元分析模型，对机床主轴进行静力分析，研究机床在切削力载荷工况作用下的最大应力及变形；对机床主轴进行模态分析，分析主轴振型对加工精度的影响。研究结果为进一步提高主轴精度以及转速等提供了依据。【期刊名称】《机床与液压》【年(卷),期】2013(000)021【总页数】3页(P123-125)【关键词】机床主轴;静力分析;模态分析【作者】刘丹萍;蒋占四;冯建国;胡志鹏【作者单位】桂林电子科技大学机电工程学院，广西桂林541004;桂林电子科技大学机电工程学院，广西桂林541004;桂林机床股份有限公司，广西桂林541004;桂林电子科技大学机电工程学院，广西桂林541004【正文语种】中文【中图分类】工业技术2013年门月机床与液压Nov.2013Vol.41No.21第41卷第21期MACHTNETOOL&HYDRAULICSDOI:10.3969/j.issn.lOOl-3881.2013.21.034机床主轴的SolidWorks建模与有限元分析刘丹萍l，蒋占四l，冯建国2，胡志鹏l(I.桂林电子科技大学机电工程学院，广西桂林541004;2桂林机床股份有限公司，广西桂林541004)摘要：机床主轴是机床的核心部件之一，使用SolidWorks建立数控机床主轴的三维实体模型，利用SolidWorks与ANSYS之间的数据交换．将其导人ANSYS中，弥补了ANSYS在进行复杂结构建模时的局限性。建立了有限元分析模型，对机床主轴迸行静力分析，研究机床在切削jJ载荷工况作用下的最大应力及变形；对机床主轴进行模态分析，分析主轴振型对加工精度的影响。研究结果为迸一步提高主轴精度以及转速等提供了依据。关键词：机床主轴；静力分析；模态分析中图分类号：TP39L9文献标i只码：A文章编号：1001-3881(2013)21-123-3SolidWorksModelingandFiniteElementAnalysisforMachineToolSpindleLJUDanping1,JIANGZhansi1,FENGJianguo2,HUZhipeng1(I.SchoolofMechanical&ElectricalEngineering,GuilinUniversityofElectronicTechnology,GuilinGuangxi541004,China;2.GuilinMachineToolCo.,Ltd.,GuilinGuangxi541004,China)Abstract:Themachinespindlt>isont>ofthecorecomponentsofthemachine.SolidWorkswasusedtoestah』1sh出e30modelofaCNCmachinetoolspindlt>.ThedataexchangebelweenSolidWorksandANSYSwasusedtoimportaSolidWorksmodelintotheAN-SYS,sothelimitationoftheANSYSineomplex拍trurturemodelingwasmadeup.Afiniteelementanalysismodelwasbuilt.AstaticanalysisforthPspindleshaftwasmade.Tht>rt>searchrevt>alsthemaximumstressanddeformationwhenthemachineisinacuttingfore-!'loadc剧eAmodalanalysisofthespindlewasmade.TheanalysisaboutspindlelibrationshapesontheworkingaccuracyprovidPsatheoreticalbasisforfurtherimprovingtheδpindleaccuracyandspeed.Keywords:Machine1001spindle;Staticanalysis;Modalanalysis在机床加工过程中，主轴对机床加工精度和可靠性以及最终加工性能有非常重要的影响。随着机床速度、精度的提高，对其部件的静动态性能的要求也随之提高。机床主轴单元的静动态性能主要包括主轴的静态和动态刚度、固有频率、临界转速以及动态响应等！。主轴仿真模理要求在进行主轴设计参数优化时．实现所有速度下的动态刚度最大化，或者在特定的加工应用程序中的特定速度下实现轴向最大切削深度2。因此，在设计阶段需对其进行详细的静力学和动力学分析，以提高设计效率、减少试验成本，进而提高主轴的使用性能。作者以桂林机床厂生产的XH2320/4机床的主轴为研究对象，研究其有限元建榄方法。首先通过SolidWorks对其进行三维建模，然后在ANSYS中搭建有限元模型，得到主轴的模态参数，为以后进行类似产品的主轴部件有限元分析打下了基础，并为进一步进行数控机床其他部件和整机的有限元分析做准备。收稿日期：2012一IO-161XH2320/4加工中心主轴机构某公司所研发的产品XH2320/4为定梁定柱式五面体加工中心。该产品采用定梁定柱结构、数控自动万能镜头和新型双线性导轨和滑动导轨的复合结构等先进技术，可实现45。轴立卧自动转换、C轴自动分度；可一次装夹工件自动完成多种空间方向的镜、健、钻、攻丝等145道以上工序加工，实现五面体加工功能。所能达到的技术指标：工作台：2000mm×4000mm；三向行程：X向4α）（）mm,y向2600mm,Z向I000mm；主轴转速范围：25-3000r/min（无级）；主轴电机功率：30kW；定位精度：0.02mm；重复定位精度：0.01mml3l。该加工中心的主轴结构如图l所示，主轴总长为638mm。根据主轴电机功率，计算主轴所受的转距，根据9550xPxη、公式4!T=计算得到转矩T=11460nN·ma基金项目：国家自然科学基金项目（51165003）；广西科学研究与技术开发计划项目（1099022-1)作者简介：刘丹萍（1989一），女，硕士研究生．主要研究方向为数控机床主轴的多学科优化。E-mail:danping0403@163.COlll02013年门月机床与液压Nov.2013Vol.41No.21第4卷第21期MACHTNETOOL&HYDRAULICSDOI:10.3969/j.issn.lOOl-3881.2013.21.034SYS之间的数据交换．将其导人ANSYS中，弥补了ANSYS在进行复杂结构建模时的局限性。建立了有限元分析模型，对中图分类号：TP39L9文献标i只码：A文章编号：1001-3881(2013)21-123-3SolidWorksModelingandFiniteElementAnalysisforMachineToolSpindleLJUDanping1,JIANGZhansi1,FENGJianguo2,HUZhipeng1I.SchoolofMechanical&ElectricalEngineering,GuilinUniversityofElectronicTechnology,GuilinGuangxi541004,China;2.GuilinMachineToolCo.,Ltd.,GuilinGuangxi541004,China)Abstract:Themachinespindlt>isont>ofthecorecomponentsofthemachine.SolidWorkswasusedtoestah』1sh出e30modelofCNCmachinetoolspindlt>.ThedataexchangebelweenSolidWorksandANSYSwasusedtoimportaSolidWorksmodelintotheANSYS,sothelimitationoftheANSYSineomplex拍trurturemodelingwasmadeup.Afiniteelementanalysismodelwasbuilt.AstaticanalysisforthPspindleshaftwasmade.Tht>rt>searchrevt>alsthemaximumstressanddeformationwhenthemachineisinacuttingfore-!'loadc剧eAmodalanalysisofthespindlewasmade.TheanalysisaboutspindlelibrationshapesontheworkingaccuracyprovidPsatheoreticalbasisforfurtherimprovingtheδpindleaccuracyandspeed.Keywords:Machine1001spindle;Staticanalysis;Modalanalysis在机床加工过程中，主轴对机床加工精度和可靠性以及最终加工性能有非常重要的影响。随着机床速度精度的提高，对其部件的静动态性能的要求也随之提高。机床主轴单元的静动态性能主要包括主轴的静态和动态刚度、固有频率、临界转速以及动态响应等！主轴仿真模理要求在进行主轴设计参数优化时．实现所有速度下的动态刚度最大化，或者在特定的加工应用程序中的特定速度下实现轴向最大切削深因此，在设计阶段需对其进行详细的静力学和作者以桂林机床厂生产的XH2320/4机床的主轴为研究对象，研究其有限元建榄方法。首先通过SolidWorks对其进行三维建模，然后在ANSYS中搭建有限元模型，得到主轴的模态参数，为以后进行类似产品的主轴部件有限元分析打下了基础，并为进一步进行数控机床其他部件和整机的有限元分析做准备。某公司所研发的产品XH2320/4为定梁定柱式五面体加工中心。该产品采用定梁定柱结构、数控自动万能镜头和新型双线性导轨和滑动导轨的复合结构等先进技术，可实现45。轴立卧自动转换、C轴自动分可一次装夹工件自动完成多种空间方向的镜、健、钻、攻丝等145道以上工序加工，实现五面体加工功能。所能达到的技术指标：工作台：2000mm×4000mm；向行程：X向4α）（）mm,y向2600mm,Z向I000mm；主轴转速范围：25-3000r/min（无级）；主轴电机功率：30kW；定位精度：0.02mm；重复定位精度：0.01mml3l。该加工中心的主轴结构如图l所示，主轴总长为638mm。根据主轴电机功率，计算主轴所受的转距，根据9550xPxη、公式4!T=计算得到转矩T=11460N·ma作者简介：刘丹萍（1989一），女，硕士研究生．主要研究方向为数控机床主轴的多学科优化。E-mail:danping0403@·124·机床与液压第41卷图l主轴结构图2主轴SolidWorks建模与加载有限元模型建立的好坏关系到分析计算的准确性和计算成本。有限元模型可以在有限元分析软件中直接建立，也可以采用其他三维实体造型软件建立三维实体模型，然后调入到有限元分析软件中。SolidWorks可以很方便地完成各种复杂模型的设计，并且，它以Pamsolid（以边界表示的实体建模模块）作为几何平台、以尺寸约束管理器（DCM）作为约束管理模块，底层功能得到专业机构的支持，技术上相对成熟、运行稳定。如果把SolidWorks与ANSYS结合起来，利用SolidWorks强大的建模能力，把在SolidWorks中建好的模型导入到ANSYS中进行有限元分析，就能够充分地发挥这两个软件在各自领域中的优势，提高工程技术人员的工作效率。因此，对SolidWorks与ANSYS间的数据交换进行研究，在实际工作中具有十分重要的意义（5］。作者采用SolidWorks建立主轴的三维实体模型，在建立模型过程中对模型进行了简化，螺纹、键槽等按实体处理，忽图2主轴的三维简化模型略了一些局部特征，所建模型如图2所示。在ANSYS中设置主轴材料弹性模量E=2.1GPa，泊松比v=0.3，选用solid92单元，综合考虑计算次数以及计算精度等因素，采用四面体单元、智能划分网格的方法，划分单元数目407632个，节点数608147个。网格划分如图3所示。’巴L!MENTSSEP1920日12·1.J16indlcsball6图3主轴网格划分图在主轴轴承处添加边界条件，约束主轴以模拟主轴运动情况。由于前段轴承承受较大支承力，且有卸荷作用，因此施加X、Y、Z三向载荷，中间以及后端轴承施加X、Y向约束。在节点处施加计算所得载荷，主轴前端施加切削力，后端施加电机传来的转矩，整个主轴载荷施加情况如图4所示。ELEMENTSuf2212日甜。’222PES’pi”dlc,hafl6匮14主轴的边界条件与载荷3静力特性分析经过有限元分析计算，可以生成主轴受载后结构外形图、结构应力和位移的等值线图。图5所示为X、Y、Z方向总位移云图，可以看出：主轴后端受转矩处变形最大，最大变形量为0.26x10-2mm。NODALSOLUTIONSTEP-I508•1TIME•IUSUM(AVG>RSYS•ODMX•.1S9E--OS日’x-2~05OCT1-'10口。。45:39牛二二占？＇区可巧；二二；lj古画：，..ι05173ι哇川－ol＇υι骂，E-03,pindlc,ha”6图5Displacementvectorsum云图图6所示为主轴的应力云图，可以看出主轴各个单元的受力情况。其中最大应力为0.34×108Pa，位于主轴后端轴承面的位置，小于材料的许用弯曲应力。由静力特性分析结果可知，主轴具有合适的刚度。NODALSOLUTIONSTEP.ISUB•ITIME•lSEQV(AVG)DMX•.259E-05SMN•812JSMX•.J42E->-08OCTI..2011。。Hc25图6Vonmisesstress云图·124·卷图l主轴结构图2有限元模型建立的好坏关系到分析计算的准确性和计算成本。有限元模型可以在有限元分析软件中直接建立，也可以采用其他三维实体造型软件建立三维实体模型，然后调入到有限元分析软件中。SolidWorks可以很方便地完成各种复杂模型的设计，并且，它以Pamsolid（以边界表示的实体建模模块）作为几何平台、以尺寸约束管理器（DCM）作为约束管理模块，底层功能得到专业机构的支持，技术上相对成熟、运行稳定。如果把SolidWorks与ANSYS结合起来，利用SolidWorks强大的建模能力，把在SolidWorks中建好的模型导入到ANSYS中进行有限元分析，就能够充分地发挥这两个软件在各自领域中的优势，提高工程技术人员的工作效率。因此，对SolidWorks与ANSYS间的数据交换进行研究，在实际工作中具有十分重要的意义（5］。作者采用SolidWorks建立主轴的三维实体模型，在建立模型过程中对模型进行了简化，螺纹、键槽等按实体处理，忽图2主轴的三维简化模型ANSYS中设置主轴材料弹性模量E=2.1GPa，泊松比v=0.3，选用solid92单元，综合考虑计算次数以及计算精度等因素，采用四面体单元、智能划分网格的方法，划分单元数目407632个，节点数608147个。网格划分如图3所示。’巴L!MENTSSEP1920日12·1.J16主轴网格划分图在主轴轴承处添加边界条件，约束主轴以模拟主轴运动情况。由于前段轴承承受较大支承力，且有卸荷作用，因此施加X、Y、Z三向载荷，中间以及后端轴承施加X、Y向约束。在节点处施加计算所得载荷，主轴前端施加切削力，后端施加电机传来的转矩，整个主轴载荷施加情况如图4所示。ELEMENTSuf2212日甜。’PES经过有限元分析计算，可以生成主轴受载后结构外形图、结构应力和位移的等值线图。0.26x10-2mm。NODALSOLUTIONSTEP-I508•1TIME•IUSUM(AVG>RSYS•ODMX•.1S9E--OS日’x-2~05OCT1-'10口。。45:39,pindlc,ha”6Displacementvectorsum云图6所示为主轴的应力云图，可以看出主轴各个单元的受力情况。其中最大应力为0.34×108Pa，位于主轴后端轴承面的位置，小于材料的许用弯曲应力。由静力特性分析结果可知，主轴具有合适的刚度。STEP.ISUB•ITIME•lSEQV(AVG)DMX•.259E-05SMN•812JSMX•.J42E->-08OCTI..2011。。Hc25Vonmisesstress云图第21期刘丹萍等：机床主轴的SolidWorks建模与有限元分析·125·模态特性分析模态分析的目的在于确定结构的振动特性，即结构的固有频率和振型通过分析可以知道结构的固有频率是否和由外界力系引起的振动频率相同，结构是否会发生共振现象［6］。为了求解主轴结构的固有频率和振型，需要对主轴进行模态分析，作者使用BlockLanczos方法提取前6阶模态，分析得到振型图如图7所示，固有频率计算结果如表l所示。(a)1阶(b)2阶」二；＿」(c)(d)图7振型图表固有频率计算结果Hz阶数I23456频率0701.94920.23982.31396.61476.2根据模态频率表可以看出：一阶模态结果为0,表示主轴具有一个方向上的刚体运动。根据实际情况，主轴在实际工作时可以转动，即圆周方向无约束。主轴的最小频率为701施，为保证机床的加工精度和运行安全性，机床工作时主轴的最高转速不能超过一阶临界转速的75%，即60x701×759毛＝31545r/min,XH2320/4龙门加工中心额定的最高转速为3000r/min，远远小于临界转速，因此主轴能够有效避开共振区，保证机床的加工精度。其次，从振型图上可以看出，不同阶次的主轴振型不同，有铅垂平面内弯曲，有水平平面内弯曲，也有绕坐标轴的扭转，还有主轴头部及尾部的转动，只要主轴的综合变形不超过限定值就能保证主轴的加工精度。同时，由分析结果可知，主轴在刚度上远远大于要求值，从节约成本上考虑，可以采取措施对主轴进行优化，将为其性能的进一步提高提供基础。5结束语使用三维设计软件对机床主轴进行建模，很好地表现了主轴的特征；实现了三维设计软件SolidWorks软件与有限元分析软件ANSYS的有效结合，充分发挥了它们在实体建模与结构分析不同领域的优越性，弥补了ANSYS有限元分析软件建立复杂模型结构时的不足，提高了ANSYS的应用范围。对于主轴的静力分析以及模态分析，文中所采用的方法操作性较强，静力分析得到的云图清晰地显示了主轴在切削力作用下的受力及其薄弱区域，用于校核主轴刚度。模态分析得到主轴的固有频率与振型，为主轴的动力学分析以及进一步研究机床整机动态状况奠定了基础。参考文献：[I］宋春明，赵宁，张士勇，等．基于ANSYS的高速电主轴静动态特性研究［J].煤矿机械，2007(4):58-60.[2]ABELEE,ALTINTASY,BRECHERC.MachineToolSpindleUnits[J].CIRPAnnals-ManufacturingTechnology,2010,59:781-802.[3］桂林机床股份有限公司．四22320/4定梁定柱龙门式五面体加工中心．国家科技成果．[4］金属切削机床设计编写组．金属切削机床设计［M］.上海：上海科学技术出版社，1979.[5］田文涛，贺小华.SolidWorks与ANSYS软件数据交换文件应用研究［J].现代制造工程，2008(7):43-46.[6］李方方，贾平，宁怀民．基于ANSYS的某型号丝杠的模态分析［J].机械设计与制造，2011(11）：“－62.（上接第118页）3结论(1）通过ANSYS预应力模态仿真可以对消波器振动特性有更全面深入的了解，可见有限元预应力模态分析是一种低成本、高效率的分析方法。(2）当对脉动源频率为0-900Hz之间的压力脉动进行消波时，IV型消波器结构避开了消波器的工作频率，效果最好。(3）通过模态分析，为消波器的结构分析提供了重要的模态参数，为改进和提高消波器的设计提供了理论依据，同时为该结构进一步的声学分析及优化做准备，为深入研究振动、疲劳及噪声等问题奠定了基础，为实际试验提供了参考和依据。参考文献：[1］章寅．液压系统压力脉动衰减器特性研究［D］.杭州：浙江大学，2010:3-7.[2］付永领，荆慧强．航空液压系统脉动衰减技术的发展[J］.液压与气功，2012(2):3一7.[3］陈守五，黄幼玲，蔡则彪．穿膛式液流脉动消振器的机理研究［J］.西安交通大学学报，1984(2):I-8.[4］傅志方，华宏星．模态分析理论与应用［M］.上海：上海交通大学出版社，2000:34.[5]0盯ANGXiaoping,GAOFe吨，YANGHuayong.ModalAnalysisoftheAircraftHydraulic-SystemPipeline[J].Jour-nalofAircraft,2012,49(4):1168-1174.[6]SCHOITEJean-Sebastien,OHAYONRoger.VariousModellingLevelstoRepresentInternalLiquidBehaviourintheVibrationAnalysisofComplexStructures[J].ComputerMethodsinAppliedMechanicsandEngineering,2009,198:1913-1925.[7]RlASIAlireza,NOURBAKHSHAhmad,RAISEEMehrdad.NumericalModelingforHydraulicResonanceinHydropowerSystemsUsingImpulseResponse[J].JournalofHydraulicEngineering,2010,136(11):929-934.21期刘丹萍等：机床主轴的SolidWorks建模与有限元分析125·模态分析的目的在于确定结构的振动特性，即结构的固有频率和振型通过分析可以知道结构的固有频率是否和由外界力系引起的振动频率相同，结构是否会发生共振现象［6］。为了求解主轴结构的固有频率和振型，需要对主轴进行模态分析，作者使用BlockLanczos方法提取前6阶模态，分析得到振型图如图7所示，固有频率计算结果如表l所示。(b)2阶d)7振型图表阶数I频率0701.94920.23982.31396.61476.2根据模态频率表可以看出：一阶模态结果为0,表示主轴具有一个方向上的刚体运动。根据实际情况，主轴在实际工作时可以转动，即圆周方向无约束。主轴的最小频率为701施，为保证机床的加工精度和运行安全性，机床工作时主轴的最高转速不能超过一阶临界转速的75%，即60x701×759毛＝31545r/min,XH2320/4龙门加工中心额定的最高转速为3000r/min，远远小于临界转速，因此主轴能够有效避开共振区，保证机床的加工精度。其次，从振型图上可以看出，不同阶次的主轴振型不同，有铅垂平面内弯曲，有水平平面内弯曲，也有绕坐标轴的扭转，还有主轴头部及尾部的转动，只要主轴的综合变形不超过限定值就能保证主轴的加工精度。同时，由分析结果可知，主轴在刚度上远远大于要求值，从节约成本上考虑，可以采取措施对主轴进行优化，将为其性能的进一步提高提供基础。使用三维设计软件对机床主轴进行建模，很好地表现了主轴的特征；实现了三维设计软件SolidWorks软件与有限元分析软件ANSYS的有效结合，充分发挥了它们在实体建模与结构分析不同领域的优越性，弥补了ANSYS有限元分析软件建立复杂模型结构时的不足，提高了ANSYS的应用范围。对于主轴的静力分析以及模态分析，文中所采用的方法操作性较强，静力分析得到的云图清晰地显示了主轴在切削力作用下的受力及其薄弱区域，用于校核主轴刚度。模态分析得到主轴的固有频率与振型，为主轴的动力学分析以及进一步研究机床整机动态状况奠定了基础。参考文献：[I］宋春明，赵宁，张士勇，等．基于ANSYS的高速电主轴静[2]ABELEE,ALTINTASY,BRECHERC.MachineToolSpinUnits[J].CIRPAnnals-ManufacturingTechnology,2010,59:781-802.］桂林机床股份有限公司．四22320/4定梁定柱龙门式金属切削机床设计编写组．金属切削机床设计［M］.上田文涛，贺小华.SolidWorks与ANSYS软件数据交换文件应用研究［J].现代制造工程，2008(7):43-46.李方方，贾平，宁怀民．基于ANSYS的某型号丝杠的模结论(1）通过ANSYS预应力模态仿真可以对消波器振动特性有更全面深入的了解，可见有限元预应力模态分析是一种低成本、高效率的分析方法。(2）当对脉动源频率为0-900Hz之间的压力脉动进行消波时，IV型消波器结构避开了消波器的工作频率，效果最好。）通过模态分析，为消波器的结构分析提供了重要的模态参数，为改进和提高消波器的设计提供了理论依据，同时为该结构进一步的声学分析及优化做准备，为深入研究振动、疲劳及噪声等问题奠定了基础，为实际试验提供了参考和依据。[1章寅．液压系统压力脉动衰减器特性研究［D］.杭州：浙付永领，荆慧强．航空液压系统脉动衰减技术的发展J.液压与气功，2012(2):3一7.[3陈守五，黄幼玲，蔡则彪．穿膛式液流脉动消振器的机理研究［J］.西安交通大学学报，1984(2):I-8.傅志方，华宏星．模态分析理论与应用［M］.上海：上海]0盯ANGXiaoping,GAOFe吨，YANGHuayong.ModalA-nalysisoftheAircraftHydraulic-SystemPipeline[J].JournalofAircraft,2012,49(4):1168-1174.[6SCHOITEJean-Sebastien,OHAYONRoger.VariousModellingLevelstoRepresentInternalLiquidBehaviourintheVibrationAnalysisofComplexStructures[J].ComputerMethodsinAppliedMechanicsandEngineering,2009,198:1913-1925.[7RlASIAlireza,NOURBAKHSHAhmad,RAISEEMehrdad.NumericalModelingforHydraulicResonanceinHydropow-erSystemsUsingImpulseResponse[J].JournalofHydraulicEngineering,2010,136(11):929-934.【文献来源】https://www.zhangqiaokeyan.com/academic-journal-cn_machine-tool-hydraulics_thesis/0201235745959.html【相关文献】1.壁行式起重机悬臂梁设计计算与SolidWorksSimulation有限元分析[J],朱学敏，潘变2.基于ANSYSWorkbench的主轴箱有限元分析及优化设计[J],周孜亮，王贵飞，丛明3.大型数控落地镗铣床主轴箱的有限元分析[J],韩江，孟超，姚银鸽，翟华4.磨床主轴箱有限元分析及优化设计[J],黄继雄，赵黎明，晏少亚5.大型弹簧圆锥破碎机主轴有限元分析[J],詹玉龙",)