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1、第4期(总第161期)机械工程与自动化No.42010年8月MECHANICALENGINEERING&AUTOMATIONAug.文章编号:1672-6413(2010)04-0046-02基于ANSYS的数控铣床主轴套有限元分析陈寿风,田国富,杨林(沈阳工业大学机械工程学院,辽宁沈阳110178)摘要:以某多轴数控铣床主轴套为研究对象,采用有限元分析软件建立了主轴套的有限元模型。通过模态分析确定主轴套的固有频率和振型,验证了此数控铣床主轴套结构设计的合理性。关键词:有限元分析;主轴套;模态分析;数控铣床
2、中图分类号:TG547文献标识码:A0引言是动力学问题分析的基础。在无阻尼自由振动的情况主轴套是螺旋锥齿轮数控铣床主轴系统的重要组下,结构的固有频率和振型可转化为特征值和特征向成部分,其动态特性的好坏直接关系到铣床的加工精量的问题。研究结构的动态性能,首先要建立系统的度。动力学微分方程。多自由度的动力学微分方程可以应本文以螺旋锥齿轮数控铣床主轴套为研究对象,用牛顿第二定律等来建立。根据达朗伯原理,只要引应用ANSYS软件对主轴套进行模态分析,得出主轴入相应的惯性力,就可以将弹性体转化为相应的静力套的固有频率
3、和振型,为铣床主轴系统及同类零部件问题,即转化为弹性体的平衡问题来求解,即:¨·的动态设计提供有益的分析数据和可行的分析方法。[M]{x(t)}+[C]{x(t)}+[K]{x(t)}=1螺旋锥齿轮数控铣床总体结构{F(t)}。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(1)螺旋锥齿轮数控铣床是一种新型的七轴六联动数其中:[M]为质量矩阵;[K]为刚度矩阵;[C]为阻尼矩控铣床,其总体结构如图1所示。其主轴系统由主轴阵;{x[t]}为节点位移列向量;{F[t]}为激振力向量。架、主轴套、主轴转子、轴承、轴承端盖等零部
4、件组模态分析是指通过研究无阻尼系统的自由振动,成。主轴架、主轴套等零部件的动态特性对于机床的得到振动系统的自然属性,即固有频率和振型。无阻尼加工精度起关键性作用。系统的振动方程为:¨[M]{x(t)}+[K]{x(t)}={0}。⋯⋯⋯⋯(2)由式(2)得:[K]-0[M]{A}={0}。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(3)其中:{A}为系统的振幅矩阵;0为系统的固有频率。如果{A}有非零解,则有:det([K]-0[M])={0}。⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯(4)3创建主轴套的有限元模型考虑到仿真的真实性和准确性,在对数控铣床
5、主轴套划分单元时,材料采用20CrMnTi钢,材料弹性1—主轴架;2—主轴套;3—工作台部分;34—X方向床身;5—Y方向床身模量E=210GPa,密度=7800kg/m,泊松比=图1铣床总体结构0.3。使用实体单元Solid95,采用智能网格划分的方2模态分析的基本理论法,主轴套的有限元模型如图2所示。在结构动力学问题中,结构固有频率和固有振型4模态分析结果收稿日期:2009-10-28;修回日期:2010-03-17作者简介:陈寿风(1981-),男,湖北黄冈人,在读硕士研究生,主要研究方向:机电系统
6、控制与优化。2010年第4期陈寿风,等:基于ANSYS的数控铣床主轴套有限元分析·47·根据模态分析的基本理论,求解式(4)的广义特征统的固有频率与[M]、[K]有关,而增加[K]或减小值和特征向量,即可得到主轴套的固有频率和振型。系[M]是提高系统固有频率的有效方法。主轴套的振动可以表达为各阶固有振型的线性组合。其中低阶固有振型要比高阶固有振型对轴套的振动影响大,越是低阶影响就越大,因此低阶振型对轴套的动态特性起决定作用,故在进行主轴套的振动特性分析计算时通常取前五阶。应用ANSYS软件计算出的主轴套前五
7、阶固有频率和振幅见表1,前五阶模态分析结果如图3所示。表1主轴套前五阶固有频率和振幅阶次一阶二阶三阶四阶五阶频率(Hz)31753189328332844619振幅(mm)0.3109730.3189780.2855660.2736170.340587图2主轴套的有限元模型图3前五阶模态分析结果5结论化设计。本文的研究为下一步机床结构的动态设计及以固有频率、振型来描述此螺旋锥齿轮数控铣床其优化提供了重要依据。主轴套的动态性能,可以找到其薄弱环节。通过模态参考文献:分析得出的主轴套一阶临界转速为190500r
8、/min,通[1]王勖成.有限单元法[M].北京:清华大学出版社,2003.[2]颜云辉.结构分析中的有限单元法及其应用[M].沈阳:常铣床主轴系统转速不超过6000r/min,远低于其一东北大学出版社,2000.阶临界转速,说明主轴系统工作转速能有效地避开共[3]李德葆,陆海秋.试验模态分析及其应用[M].北京:科学振区,从而保证了加工精度。应用ANSYS对数控铣床出版社,2001.主轴套进行模态分析,有利于数
