數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)可靠性分析及仿真.pdf

1、數(shù)控機(jī)床的可靠性難以提高是影響國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床發(fā)展的關(guān)鍵，而主軸又是數(shù)控機(jī)床工作過(guò)程中的核心部分。因此，研究數(shù)控機(jī)床主軸的可靠性對(duì)提升國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床質(zhì)量具有重要的意義。
　　本文以HTC2050i型數(shù)控車床主軸系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過(guò)進(jìn)行故障模式、影響及危害性分析(FMECA)尋找到主軸系統(tǒng)可靠性薄弱環(huán)節(jié)，并借助于ANSYS的Workbench平臺(tái)，對(duì)主軸系統(tǒng)進(jìn)行熱特性分析，研究了主軸溫度場(chǎng)、應(yīng)力和變形分布規(guī)律;對(duì)主軸軸承進(jìn)行諧響應(yīng)分析，研

2、究了主軸軸承的模態(tài)、位移響應(yīng)和剛度隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，取得如下研究成果:
　　(1)對(duì)主軸系統(tǒng)進(jìn)行了故障模式、影響及危害性分析，根據(jù)功能關(guān)系將主軸系統(tǒng)劃分為傳動(dòng)系統(tǒng)、軸承系統(tǒng)、密封系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)四個(gè)子系統(tǒng)，分析結(jié)果表明:故障頻率最高的部位發(fā)生在軸承系統(tǒng)(52.83％)，其次是檢測(cè)系統(tǒng)(30.19％);發(fā)生最多的故障模式是主軸噪聲異響過(guò)大(43.40％)，其次是主軸轉(zhuǎn)速失調(diào)(24.53％);主要的故障原因是軸承研傷(33.33％)和零

3、部件損壞(27.08％);對(duì)主軸系統(tǒng)的危害度最高的是軸承系統(tǒng)，危害度為43.2，其次是檢測(cè)系統(tǒng)，危害度為23.93。
　　(2)對(duì)主軸系統(tǒng)進(jìn)行了熱—結(jié)構(gòu)耦合分析，依據(jù)主軸轉(zhuǎn)速與軸承載荷及生熱熱流密度的關(guān)系，得出了主軸系統(tǒng)溫度場(chǎng)、應(yīng)力和變形量隨轉(zhuǎn)速和預(yù)緊力的變化規(guī)律，結(jié)果表明:主軸系統(tǒng)最高溫度出現(xiàn)在兩對(duì)前軸承處，n=4000r/min溫度最高為79.3℃，后滾動(dòng)軸承溫度遠(yuǎn)低于前軸承的溫度，箱體溫度變化較為均勻，且隨轉(zhuǎn)速和預(yù)緊力提高而

4、升高;轉(zhuǎn)速較低時(shí)主軸系統(tǒng)最大應(yīng)力出現(xiàn)在主軸軸端處，轉(zhuǎn)速較高時(shí)主軸系統(tǒng)最大應(yīng)力出現(xiàn)在后滾動(dòng)軸承滾動(dòng)體處，最大值596Mpa，其余部位應(yīng)力分布較為均勻且應(yīng)力值遠(yuǎn)小于最大應(yīng)力，且隨溫度和預(yù)緊力的提高而升高;n=500r/min時(shí)，主軸系統(tǒng)最大變形的位置位于主軸軸端，最大變形量為0.0056mm;n=3500r/min時(shí)，主軸系統(tǒng)最大變形的位置位于主軸箱體視孔的上端處，最大變形量為0.2366mm。
　　(3)對(duì)主軸軸承進(jìn)行了模態(tài)分析和諧

5、響應(yīng)分析，得出了主軸軸承前六階固有頻率和主軸軸承位移響應(yīng)特性，并依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式得出軸承徑向和軸向動(dòng)剛度隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，結(jié)果表明:在主軸轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)所能達(dá)到激振力的頻率遠(yuǎn)低于軸承固有頻率，可以有效地避開(kāi)共振區(qū)，保證加工精度。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速?gòu)?500r/min提高到4000r/min時(shí)主軸前、后滾動(dòng)軸承徑向位移升高較為明顯，其最小徑向動(dòng)剛度分別為1.09×106N/mm和2.07×106N/mm。主軸前球軸承最小軸向動(dòng)剛度為3.40×107N/m