基于ansys的主轴系统动态特性研究_毕业设计论文(编辑修改稿)

基于ansys的主轴系统动态特性研究_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

曲刚度 K，定义为使主轴前端产生单位位移，在位移方向所需施加的力，如图 所示。 K=P/δ (N/μ m) （ ） 虽然多数机床可以用弯曲刚度作为衡量主轴组件刚度的指标，但也有例外。 例如钻床，钻头有两个刀刃，径向力互相抵消，轴向力虽很大，但在主轴上作用距离很短，主切削力是一个力偶。 因此，钻床主轴的刚度指标是扭转刚度 KM。 KM=MN/=MNL/θ (N m2/rad) () 式中 MN—— 作用的钮矩（ N m） L—— 扭矩的作用距离（ m） θ —— 扭转角（ rad） 主轴弯曲刚度尚无标准，文献资料，从下列几个方面，提出了一些对主轴组件的刚度要求： ①静态弹性变形对加工精度的影响有的资料推荐，可以根据复映误差来规定机床 Y向综合刚度，再根据主轴组件的变形占机床系统综合变形的比例确定组件的刚度。 有些文献推荐了一些主轴刚度的数值。 例如有的资料推荐，在额定载荷作用下，主轴端部的变形，不得超过精度标准规定的主轴端部径向跳动的 1/3。 有的工厂认为在额定载荷下，最大挠度）， ymax≤ ，最大倾角 θ max≤。 （ l为主轴跨距， y与 l单位相同）。 如果主轴上装有电动机转子（内连式电动机），则转子处的挠度不得超过电动机转子与定子之间的气隙的 1/10。 有的资料推荐，车床 Dmax＝ 250mm 及 320mm 时，主轴前端静刚度为 K＝100N/μ m ， Dmax=400mm 时， K=120N/μ m。 卧式铣床工作台宽 B=200mm 和 250 mm时， K=100N/μ m； B=320mm 时， K=120N/μ m。 瑞典 SKF 公司推荐，把主轴当作一个简支梁，支承中间承受一集中载荷，对于一般生产型机床如车床和铣床等， K≥ 250N/μ m。 ②根据不出现切削自激振动的条件 自激振动稳定性可用极限切削宽度 blim来判定。 再生自激振动稳定性的判别 式： 第页共 34 页 blim≤ 2Kζ (1+ζ )/Kab Kab称为切削系数 这个公式说明，对于一定的机床，存在着一个不产生自激振动的最大（极限）切削宽度。 在设计机床时，可以根据机床的尺寸和性能，事先规定一个最大切削宽度，从而求得对机床的刚度要求 K=Kabblim/2ζ (1+ζ ) 表 切削 45 钢时的 Kab 和 β 值 切削速度v(m/min) 50 100 200 每转或每齿进给量（ mm） 切削系数（ N/μ m mm） 夹角 β（度） 77 80 77 82 以上公式，是在假设切削力方向、机床系统主振动方向和测量机床静态变形的方向都相同的前提下推导出来的。 即假设三者都在 Y 方向。 事实上，切削力 P并不在 Y 向，而是与 y 向成夹角 β。 机床主振动方向一般也不在 Y 向。 但为了简化分析，仍假设主振动方向和测量静变形的方向相同，即都在 y向。 则 Py=Pcosβ。 因此， Y 向的刚度 Ky=Py/y=Pcosβ /y 即 Ky≥ Kabblimcosβ /2ζ (1+ζ ) () 车削外圆时 ,Py=Pcosβ cosφ 因此 Ky=Kabblimcosβ cosφ /2ζ (1+ζ ) () 以上式中 Kab—— 车铣时的切削系数（ N/μ m mm），由试验决定 ,见表 ； blim—— 该机床要求的极限切削宽度（ mm）； ζ —— 阻尼比，见表 ； β —— 变动的切削力 P 与工件切削表面垂线的夹角见表 ； 第页共 34 页 φ —— 刀具的主偏角（度）。 从表 中可以看出，随着切削速度和进给量的增加，切削系数疋。 逐步降低。 从 式和 式可知，对于一定的机床和一定的切削方式， Ky、 ζ 、 β 、φ 都是一定的。 Kab 降低则 blim 将增加。 即用较高的切削速度和较大的进给量，可以允许较大的极限切削宽度。 在设计机床时，考虑到实际使用时的切削用量是各式各样的，所以取稳定性的下限来决定极限切削宽度玩。 即取切削速度为50m/min，进给量为每转 左右。 这时的 Kab最大，即允许的 blim最小，这是偏于安全的。 式 和 计算的 Ky是整个机床系统在 Y 方向的刚度要求。 考虑到主轴组件是机床系统在抗振性方面的薄弱环节，因此近似地就把主轴系统的阻尼比代入式中的 ζ ，计算出来的 K就作为主轴组件的刚度要求。 这样的计算是近似的。 表 主轴 组件的阻尼比 主轴组件的结构 阻尼比 ζ 说 明 滚动轴承 双列向心短圆柱滚子轴承，向心推力轴承 ~ 指主轴前轴承。 当轴承预加载较大或用三支承时取大值，当主轴前轴承存在间隙时取 ζ ＝ ~ 圆锥滚子轴承，双列向心短圆柱滚子轴承和推力球轴承的组合 ~ 动压滑动轴承 单油楔 ~ 指主轴前轴承结构，主轴转速高或直径间隙小时取大值 多没楔 ~ 液体静压轴承 ~ 当用小孔节流或毛细管节流，高粘度的润滑油或油膜刚度较低时取大值 CK6132 主轴的典型工况 表 主轴各工况的的载荷表 齿轮上的作用力 切削力 径向 扭矩等 第页共 34 页 工况 圆周力（ N） 力(N) 扭矩(N m) 效成作用于主轴的力偶（ N） 主切削力（ N） 进给切削力（ N） 切深切削力（ N） 第一工况 1249 454 112 1556 3750 1500 1500 第二工况 1200 437 54 750 1800 720 720 第三工况 428 156 19 27 642 257 257 CK6132 主轴静力分析 CK6132 主轴分别有高速和低速两个齿轮（ Z=45 和 Z=90）传入运动和动力，在主轴计算转速下工作，运动和动力由低速齿轮（ Z=90）传入，此时齿轮对主轴的作用力最大（切削用量： n=238r/min,ap=6mm,f=，电机输出功率 ），所以将该情况作为主轴的一种工况对主轴进行分析，本文中称为主轴的第一工况。 主轴的第一工况虽然对主轴的作用力最大，但力的作用点较靠近主轴前支承，当在运动和动力由高速齿轮（ Z=45）传入，车床进行粗车加工时（切削用量：n=530r/min,ap=,f=，电机输出功率 3kw），此工况称为主轴第二工况。 为了分析车削加工出来的的零件的直线度误差，精车加工（切削用量：n=1190r/min,ap=,f=，电机输出功率 ），该工况称为主轴的第三工况。 主轴各工况的的载荷见表。 主轴 ANSYS 分析的一般过程 ①建立模型 1）建立 ANSYS 分析模型 在进行静力分析时为了较好的反映实际工况，将把卡盘和工件（工件尺寸Ф 60mm 90mm ）一并考虑。 主轴几何模型的构建，可以利用 ANSYS 提供的绘图功能进行绘制，也可以使用 CAD 软件所提供的强大绘图功能进行图形绘制。 CK6132 主轴利用 AUTOCAD 绘制三维模型，利用 ANSYS 的接口把 AUTOCAD 绘制的三维模型导入到 ANSYS 中进行育限元 分析。 2)定义单元类型 单元类型（ Element Type）的定义用来决定用什么形状的微元来离散主轴。 包括杆、梁、板、壳、实体等 200 种单元可供选择． CK6132 主轴分析 第页共 34 页 选用的是 Solid95 实体单元。 3)定义实常数 用实常数（ real constants）来定义分析模型的截面特性。 对于有些单元必须输入实常数，而对于有些单元则不需要输入实常数， solid95 实体单元就不需要输入实常数。 4)定义材料特性 CK6132 主轴材料为 45 钢，弹性模量 EX= 1011 泊松比为 ，密度为7800kg/m3。 5）网格的划分 结构几何模型建立后，在将它分成小网格以供后续计算。 网格分得越细，计算结果的误差越小，但所需要的计算时间也就越长。 单元的划分很方便，只须在相关的线或面上定义出单元的长度或要划分的比例， ANSYS 会自动形成单元及节点，也可以用自适应网格划分自动生成网格。 要提高分析精度，可以有以下三种方法： a. 网格细分法（ hmethod）： ANSYS 自动细分网格； b．高次单元法（ pmethod）：选择高次单元进行分析； c．混合并行法（ hpmethod）： 上述两者并用。 CK6132 主轴网格划分后的模型为图 图 CK6132 主轴网格 第页共 34 页 ②加载求解 加载求解一般分为三个部分，即施加约束条件、施加载荷以及求解计算。 分析 CK6132 主轴时，分成两个载荷步进行求解，一个是力载荷步，另一个是转矩载荷步， ANSYS 分析模型见图 和图 ，然后通过后处理中的载荷工况 (load case ）求和操作，得到主轴在弯曲、扭转和压缩状态下的应力和变形。 1)施加约束或边界条件 约束是定义一个结构的固定部分，确定结构上那些部分的那些自由度为 0。 在 CK6132 主轴力载荷步中，在与后轴承内圈接触的主轴表面上施加约束 UY=0、UZ=0，在与前轴承内圈接触的主轴表面上施加约束 UX=0、 UY=0、 UZ=0，它们都施加在实体模型上，在求解时再转化到主轴的有限元模型上。 在转矩载荷步中，主轴与齿轮接触处的断面上的所有节点施加约束 UX=0、 UY=0、 UZ=0。 图 主轴组件力载荷步 2）施加载荷 第页共 34 页 图 主轴组件转矩载荷步 根据结构的实际情况， ANSYS 可以在结构上施加集中力、分 布力、重力及预应力等。 在 CK6132 主轴力载荷步中，切深抗力和进给抗力施加在工件的切削点处，主切削力移到工件下方，该力平移产生的力矩在转矩载荷步中处理，齿轮上的作用力等效为 Y坐标方向、 Z坐标方向的的力和一力偶，其中力施加于主轴的力载荷步，力矩在转矩载荷步中处理（图 ）。 这些载荷均施加在主轴的有限元模型，为了将载荷施加于相应的节点上，对主轴的有限元模型加载区域进行网格细化。 主轴的受扭状态，等效为一端固定，另一端作用一力偶的模型（如图 所示）。 3）求解计算 ANSYS 提供了基于直接求解法的稀疏直接求 解器（ Sparse Direct Solver）和波前求解器（ the Frontal Solver）。 还提供了基于迭代求解法的 JGG（ the Jacobi Conjugate Gradient solver ）求解器、 PGG(the Preconditioned Conjugate Gradient solver) 求解器、 ICCG(the Inplete Cholesky Conjugate Gradient solver)求解器。 JGG 求解器适合于求解良态问题，用于实数或复数的对称或非对称矩阵； PCG求解器适用于所有类型的分析（包括病态的梁 /壳结构分析），但只对实对称刚度矩阵有效； ICCG 求解器比 JCG 求解器更能求解病态问题，适合于实数或复数的对称或不对称。