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加工中心主軸箱力學性能分析

發(fā)布時間：2021-04-19 20:12:12點擊率：

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主軸傳動系統(tǒng)是影響加工中心性能的重要部件之一，對加工中心的加工精度和效率有著非常重要的影響，而主軸傳動通過主軸箱來實現(xiàn)，主軸箱起著支承主軸并使其啟動、制動、變速等作用。主軸箱的靜、動態(tài)特性對加工中心的整體性能及加工精度有很重要的影響，本文對主軸箱進行了自由模態(tài)分析及靜力分析，驗證了設計的主軸箱結構合理。

1 模態(tài)分析

模態(tài)分析是指分析特定結構的振動特性，也就是分析結構的固有頻率及其振型，此分析對目標結構故障診查有著重要的作用。本文主要做了主軸箱的自由模態(tài)分析，通過自由模態(tài)分析，能求出低階頻率及其振型，防止共振，也為主軸箱后續(xù)動力學分析打下基礎。

主軸箱的自由模態(tài)分析過程分為以下幾個步驟：

第一步：在三維軟件 proe 中創(chuàng)建出主軸箱的三維模型，為了方便網(wǎng)格劃分及減少計算時間，去除三維模型中的倒角、螺紋孔、小凸臺等特征。然后將三維模型導入

Workbench 中，材料定義為灰鑄鐵，彈性模量值設為 E=

1.17e5MPa，泊松比 μ=0.25，密度為 7.2e-6kg/mm3；再進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分時的參數(shù)均為默認參數(shù)，自動劃分網(wǎng)格






第二步：進行邊界條件加載，自由模態(tài)分析不需要加載任何約束和外界載荷。

第三步：求解。

直接求解，求出的主軸箱的固有頻率及振型如表 1所示。

表 1 求出的主軸箱的固有頻率及振型



自由模態(tài)分析時，前六階頻率約為 0，可忽略，從第七階開始為有效階數(shù)，第 7 階振型為繞主軸箱中心線處左右扭動，第八階振型為中間部位前后擺動，第九階振型為前后擺動加左右擺動，第十階為主軸箱下半部前后擺動，十一階為擺動加扭動，十二階為復合擺動，見圖 2 所示。

2 靜力分析

通過靜力分析，能求出主軸箱的應變、應力及其剛度值。引起彈性體發(fā)生單位變形量所需要的力的大小即為剛度值，也就是剛度值等于作用力與位移量的比值。剛度一般包括靜剛度和動剛度。靜剛度是指引起零件（彈性體）發(fā)生變形的力為靜力，把此靜力與由它引出的變形之間的關系所確定的剛度稱為靜剛度，動剛度是指引起零件（彈性體）發(fā)生的變形的力為交變力，把此交變力與由它引出的變形之間的關系所確定的剛度稱為動剛度。如果加工中心的剛度不夠，不能滿足加工中心的使用要求，加工中心在工作時，受到切削力、自重以及摩擦力等各種外力下，零部件容易變形，振動，剛性越差，加工中心的加工精度越難保證，所以研究剛度對加工中心具有重要作用，主軸箱是加工中心重要部件之一，研究其剛度也具有同樣重要的意義，本文主要求得的是主軸箱的靜剛度。以下為求解的具體過程：

2.1 受力模型的創(chuàng)建

簡化主軸受力模型如圖 1 所示，主軸承受徑向力 F=

4000N，可以求出軸承上承受的徑向力 F1=-5690N，F(xiàn)2=

1690N，（設豎直向下為正方向）。所以主軸箱箱體在軸承安裝位置處（a、b 處）分別受到力-F1，-F2。



2.2 不考慮自重影響

主軸箱邊界條件加載：首先，簡化受力模型，對與導軌面相結合的兩個面進行全約束，即參數(shù) X Component、Y Component、Z Component 均為 0；其次，安裝 a 處軸承 1 的孔的直徑 D1=140，寬度 B1=40，安裝 b 處軸承 2 的孔的直徑D2=110，B2=50（長度單位均為 mm）。根據(jù) 2.1 分析，在主軸箱箱體對應的 a 處軸承孔下半圈加載，加載壓強 P1=2F1/（πD1B1）=0.65MPa，同時在主軸箱箱體 b 處軸承孔上半圈加載壓強P2=2F2（/ πD2B2）=0.2MPa；加載完成（圖 4）。

不考慮重力影響，求得結果如圖所示：大變形量為

0.9μm，大應力僅為 1.07MPa，徑向變形為 0.6μm，即徑向剛度為k=4000/0.6=6666N/μm。

2.3 考慮自重影響

分析過程同“2.2 不考慮自重影響”幾乎一樣，只是在加載時，多加上主軸箱體的自重，結果如圖 7-圖 8 所示， 大變形僅為 1μm，大應力為 1.5MPa，徑向變形為

0.6μm，即徑向剛度為 k=4000/0.6=6666N/μm。

對比 2.2 及 2.3 發(fā)現(xiàn)：重力對主軸箱的靜剛度影響很小?？梢?，在做主軸箱靜力分析時，可忽略主軸箱的重力， 而本次求得到剛度值比較大，說明主軸箱剛度良好，結構設計是合理的。
文章鏈接：機床商務網(wǎng) https://www.jc35.com/tech_news/detail/106531.html

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