基于ANSYS的CK6132數(shù)控車床主軸的動(dòng)靜態(tài)特性分析研究.pdf

1、當(dāng)今有限元法已成為在工程分析中獲得廣泛應(yīng)用的數(shù)值計(jì)算方法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)械領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)和計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)。CAE的核心是計(jì)算分析，有限元法則是計(jì)算分析的重要手段之一。因此，將有限元方法應(yīng)用于機(jī)床設(shè)計(jì)中，將有助于提高機(jī)床的設(shè)計(jì)質(zhì)量和性能。本文在理性認(rèn)知ANSYS和它在機(jī)床設(shè)計(jì)中的應(yīng)用方面作了一些探索。 本文闡述了數(shù)控車床的主傳動(dòng)設(shè)計(jì)，闡述了主傳動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)(

2、動(dòng)力參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)。動(dòng)力參數(shù)是指主運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率，運(yùn)動(dòng)參數(shù)是指主運(yùn)動(dòng)的變速范圍。)的確定方法；闡述了數(shù)控車床分級(jí)變速箱公比的選取原則；闡述了數(shù)控車床主軸的驅(qū)動(dòng)和控制方式——直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和通用變頻調(diào)速系統(tǒng)。通過對(duì)CK6132數(shù)控車床主傳動(dòng)系統(tǒng)的分析，得知主軸電動(dòng)機(jī)功率偏小，車床轉(zhuǎn)速在380～950r/min范圍內(nèi)功率不足(相當(dāng)于此時(shí)電機(jī)功率最低只有3×380/950=1.2kW)。 在用ANSYs對(duì)CK6132數(shù)

3、控車床主軸進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)，主軸承受彎矩、轉(zhuǎn)矩和拉壓載荷的組合，屬于組合變形。當(dāng)用三維模型，solid92單元進(jìn)行ANSYS分析時(shí)，很難做到轉(zhuǎn)矩和力載荷同時(shí)加在分析模型上，為此，將力載荷和轉(zhuǎn)矩載荷分兩個(gè)載荷步施加在分析模型上進(jìn)行求解，然后通過載荷工況(Load Case)對(duì)CK6132主軸力載荷步和轉(zhuǎn)矩載荷步求和，得到主軸受彎、扭、壓的組合載荷下的Von Mises應(yīng)力，較好地解決了結(jié)構(gòu)組合載荷的加載問題。 在機(jī)床設(shè)計(jì)時(shí)，都要對(duì)主

4、軸的剛度進(jìn)行驗(yàn)算，傳統(tǒng)的剛度計(jì)算方法是將階梯主軸簡(jiǎn)化成外伸梁，利用材料力學(xué)梁的近似微分方程進(jìn)行計(jì)算。用有限元法分析計(jì)算主軸組件剛度是一種有效的方法，本文用軟件ANSYS對(duì)CK6132數(shù)控車床主軸組件進(jìn)行了剛度(彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度)計(jì)算和切削穩(wěn)定性判別，根據(jù)不出現(xiàn)切削自激振動(dòng)的條件判定，CK6132數(shù)控車床的切削穩(wěn)定性較差。雖然多數(shù)機(jī)床可以用彎曲剛度作為衡量主軸組件剛度的指標(biāo)，但鉆床主軸的剛度指標(biāo)是扭轉(zhuǎn)剛度，所以本文也探索了扭轉(zhuǎn)剛度的AN

5、SYS分析方法。 本文闡述了ANSYS疲勞分析的原理和方法，對(duì)CK6132主軸進(jìn)行了疲勞分析。主軸材料采用45鋼，疲勞限σ<,-1>=200Mpa，在主軸的第一工況和第二工況的靜應(yīng)力分析完后，分別對(duì)危險(xiǎn)點(diǎn)，進(jìn)行疲勞分析，得到它們的循環(huán)交變應(yīng)力分別為：0.21024E+08Pa和0.11554E+08Pa，均小于σ<,-1>，所以CK6132主軸是根據(jù)無限壽命準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)的，主軸的循環(huán)交變應(yīng)力低于疲勞極限，主軸的疲勞壽命在理論上是

6、無限的。由于機(jī)床工作時(shí)既不可避免地要產(chǎn)生受迫振動(dòng)，又可能產(chǎn)生自激振動(dòng)，因此所設(shè)計(jì)的主軸組件應(yīng)該對(duì)這兩類性質(zhì)不同的振動(dòng)都具有良好的抵抗能力，滿足預(yù)定的加工精度和生產(chǎn)率的要求。為了在設(shè)計(jì)主軸組件時(shí)可以預(yù)測(cè)主軸組件的動(dòng)力特性。本文利用ANSYS對(duì)CK6132數(shù)控車床的主軸組件進(jìn)行了模態(tài)分析，得到以下結(jié)論：CK6132數(shù)控車床的主軸組件的橫向振動(dòng)的最小固有頻率為315．68Hz;主軸的固有頻率與主軸的質(zhì)量分布有關(guān)，當(dāng)主軸上無工件時(shí)的固有頻率比主

7、軸上夾持工件時(shí)高；提高主軸的支承剛度，可以提高主軸的固有頻率；車床在加工過程中使用尾座支撐工件，可顯著提高主軸組件的固有頻率。還對(duì)CK6132主軸組件橫向振動(dòng)的諧振響應(yīng)分析方法作了一定探索。 在理論方面闡述了彈性力學(xué)基本方程和基于彈性力學(xué)最小位能原理形成有限元求解方程的一般原理，闡述了ANSYS疲勞分析的原理，闡釋了ANSYS模態(tài)提取方法和諧響應(yīng)分析方法，所有這些對(duì)深入認(rèn)知ANSYS的原理和在機(jī)床設(shè)計(jì)中正確應(yīng)用ANSYS具有普遍