加工中心主轴箱力学性能分析

发布时间：2021-04-06 19:58:48点击率：

主轴传动系统是影响加工中心性能的重要部件之一，对加工中心的加工精度和效率有着非常重要的影响，而主轴传动通过主轴箱来实现，主轴箱起着支承主轴并使其启动、制动、变速等作用。主轴箱的静、动态特性对加工中心的整体性能及加工精度有很重要的影响，本文对主轴箱进行了自由模态分析及静力分析，验证了设计的主轴箱结构合理。

1 模态分析

模态分析是指分析特定结构的振动特性，也就是分析结构的固有频率及其振型，此分析对目标结构故障诊查有着重要的作用。本文主要做了主轴箱的自由模态分析，通过自由模态分析，能求出低阶频率及其振型，防止共振，也为主轴箱后续动力学分析打下基础。

主轴箱的自由模态分析过程分为以下几个步骤：

第一步：在三维软件 proe 中创建出主轴箱的三维模型，为了方便网格划分及减少计算时间，去除三维模型中的倒角、螺纹孔、小凸台等特征。然后将三维模型导入

Workbench 中，材料定义为灰铸铁，弹性模量值设为 E=

1.17e5MPa，泊松比 μ=0.25，密度为 7.2e-6kg/mm3；再进行网格划分，网格划分时的参数均为默认参数，自动划分网格

（网格单元选择系统默认的单元），结果如图 1 所示。

图 1 网格划分结果图

第二步：进行边界条件加载，自由模态分析不需要加载任何约束和外界载荷。

第三步：求解。

直接求解，求出的主轴箱的固有频率及振型如表 1所示。

表 1 求出的主轴箱的固有频率及振型

自由模态分析时，前六阶频率约为 0，可忽略，从第七阶开始为有效阶数，第 7 阶振型为绕主轴箱中心线处左右扭动，第八阶振型为中间部位前后摆动，第九阶振型为前后摆动加左右摆动，第十阶为主轴箱下半部前后摆动，十一阶为摆动加扭动，十二阶为复合摆动，见图 2 所示。

2 静力分析

通过静力分析，能求出主轴箱的应变、应力及其刚度值。引起弹性体发生单位变形量所需要的力的大小即为刚度值，也就是刚度值等于作用力与位移量的比值。刚度一般包括静刚度和动刚度。静刚度是指引起零件（弹性体）发生变形的力为静力，把此静力与由它引出的变形之间的关系所确定的刚度称为静刚度，动刚度是指引起零件（弹性体）发生的变形的力为交变力，把此交变力与由它引出的变形之间的关系所确定的刚度称为动刚度。如果加工中心的刚度不够，不能满足加工中心的使用要求，加工中心在工作时，受到切削力、自重以及摩擦力等各种外力下，零部件容易变形，振动，刚性越差，加工中心的加工精度越难保证，所以研究刚度对加工中心具有重要作用，主轴箱是加工中心重要部件之一，研究其刚度也具有同样重要的意义，本文主要求得的是主轴箱的静刚度。以下为求解的具体过程：

2.1 受力模型的创建

简化主轴受力模型如图 1 所示，主轴承受径向力 F=

4000N，可以求出轴承上承受的径向力 F1=-5690N，F2=

1690N，（设竖直向下为正方向）。所以主轴箱箱体在轴承安装位置处（a、b 处）分别受到力-F1，-F2。

2.2 不考虑自重影响

主轴箱边界条件加载：首先，简化受力模型，对与导轨面相结合的两个面进行全约束，即参数 X Component、Y Component、Z Component 均为 0；其次，安装 a 处轴承 1 的孔的直径 D1=140，宽度 B1=40，安装 b 处轴承 2 的孔的直径D2=110，B2=50（长度单位均为 mm）。根据 2.1 分析，在主轴箱箱体对应的 a 处轴承孔下半圈加载，加载压强 P1=2F1/（πD1B1）=0.65MPa，同时在主轴箱箱体 b 处轴承孔上半圈加载压强P2=2F2（/ πD2B2）=0.2MPa；加载完成（图 4）。

不考虑重力影响，求得结果如图所示：大变形量为

0.9μm，大应力仅为 1.07MPa，径向变形为 0.6μm，即径向刚度为k=4000/0.6=6666N/μm。

2.3 考虑自重影响

分析过程同“2.2 不考虑自重影响”几乎一样，只是在加载时，多加上主轴箱体的自重，结果如图 7-图 8 所示，大变形仅为 1μm，大应力为 1.5MPa，径向变形为

0.6μm，即径向刚度为 k=4000/0.6=6666N/μm。

对比 2.2 及 2.3 发现：重力对主轴箱的静刚度影响很小。可见，在做主轴箱静力分析时，可忽略主轴箱的重力，而本次求得到刚度值比较大，说明主轴箱刚度良好，结构设计是合理的。

3 结论

本文基于workbench，对主轴箱进行了模态分析，求出了主轴箱自由状态下的固有频率及振型，并建立了主轴箱受力分析模型，求出了静力分析下，主轴箱总变形及应力都很小，验证了主轴箱结构是合理的，而根据“2.2 不考虑自重影响”及“2.3 考虑自重影响”的结果比较，可以看出主轴箱本身自重对径向刚度影响很小。

上一篇：主轴典型故障诊断与维修

下一篇：加工中心机械主轴结构的新设计