基于有限元技術的數控車主軸箱結構分析

李金華，鄒 瀅，劉小琨，張德強，劉永賢

LI Jin-hua1,3,ZOU Ying2,LIU Xiao-kun1,ZHANG De-qiang3,LIU Yong-xian1

（1. 東北大學 機械工程與自動化學院，沈陽 110819；2. 沈陽第一機床廠，沈陽 110412；3. 遼寧工業大學 機械工程與自動化學院，錦州 121001）

0 引言

現代機械加工正朝著高速、高精和高可靠性方向發展，大量的高新技術被應用到切削加工過程中，同時也涌現出各種各樣的數控機床，其中以數控車和數控銑的研究居多[1～4]。ANSYS Workbench以其獨特的產品構架和眾多支撐性產品模塊為產品整機和多場耦合分析提供非常優秀煩人系統級解決方案[5,6]。筆者采用ANSYS有限元軟件對某型精密數控車的主軸箱進行結構建模，通過分析其結構固有特性，驗證其是否滿足精密加工使用要求，從而為后續加工制造提供可靠依據。

如圖1所示，該數控車主軸箱主要用來支撐精密電主軸，為保證主軸較高的回轉精度主軸箱與主軸之間采用動靜壓軸承連接，同時在設計過程中采用有限元技術來和試驗方法定性定量地分析主軸箱固有特性對主軸精度的影響是否滿足加工精度要求。該主軸箱以HT200為材料，彈性模量均為1.5×105，泊松比為0.2，砂芯鑄造，多筋板支撐，增加散熱面。

1 主軸箱有限元建模

在建模時采用與原結構在幾何形狀及尺寸相一致的實體建模，使得模型的剛度不會發生大的變化。在選擇單元體時選擇了Solid187單元，確保了有限元模型的處理精度。如圖2所示，Solid187單元，是一個高階3維10節點固體結構單元，Solid187具有二次位移模式可以更好的模擬不規則的模型，可通過不同的CAD/CAM 系統建立的模型，單元通過10個節點來定義,每個節點有3個沿著xyz方向平移的自由度。單元支持塑性，超彈性，蠕變，應力剛化，大變形和大應變能力，還可采用混合模式模擬幾乎不可壓縮彈塑材料和完全不可壓縮超彈性材料。在ANSYS workbench中建立主軸箱的有限元模型如圖2所示，主軸箱質量340Kg，設置網格尺寸為50mm，共劃分64957個節點，40765個單元[6]。

圖1 主軸箱有限元模型

2 主軸箱有限元靜力分析

根據實際工作情況，設置主軸箱有限元分析的邊界條件，如圖3所示，在主軸箱底部施加固定約束，限制主軸箱的6個自由度；在兩個軸承孔處施加軸承載荷500N，整個主軸箱施加重力加速度9.8m/S2。

圖2 Solid187 單元

圖3 靜力分析約束載荷布置圖

通過圖4分析可得，主軸箱在機床處于靜止狀態時，其從頂部到底部靜態變形逐漸減小，其中軸承孔上部變形最大，最大變形量為1.5×10-7m，滿足剛度和強度要求；應變則從頂部到底部逐漸增大，其中箱體底部的應變最大0.1288Mpa，滿足HT200的使用要求。

3 主軸箱有限元模態計算

圖4 主軸箱靜力變形分布

主軸箱底部施加一個固定的約束，利用ANSYS的Blocklanczos方法對主軸箱的模態分析進行擴展6階模態，并提取了前6階。求解后其固有頻率和振型如表1所示，部分振型圖如圖6至圖8所示。

表1 主軸箱前6階固有頻率和振型

圖5 主軸箱1階模態變形圖

圖6 主軸箱3階模態變形圖

4 模態分析

從表1可以發現，主軸箱的低階固有頻率較高，說明整體剛度較高，能夠避免產生各種外界激振下的共振。從表1和圖6至圖8可以發現，第1階出現主軸箱繞Y軸擺動，車削加工中易造成背吃刀量發生變化，不利于保證工件圓度誤差精度要求；第2階出現主軸箱繞X軸擺動，易造成沿軸向的尺寸精度誤差，第3階和第4階主軸箱發生繞Z軸的扭轉，兩軸孔的軸線同軸度影響較大，影響車削加工徑向精度。第5階的變形幅值最大，達到6.76mm，位于主軸箱頂部的兩側壁上，且對稱彎曲分布，對主軸箱的軸線影響較小。第6階Z軸的彎振，且頂部變形較大，對軸孔的上下位置影響較大，影響加工時刀尖與工件的軸線在同一高度而產生徑向尺寸誤差。

5 結束語

綜合以上分析，該主軸箱能夠滿足精密加工過程中對主軸的支撐作用，其結構在X向的剛度較低，在高速工作狀態下容易產生徑向的尺寸誤差和圓度誤差，但是如果在一般轉速（5000轉每分鐘）下工作，對加工精度的影響較小，所以該機床較適合中速條件下精密工作。

[1] 劉曉東,尹志宏,林天清,等. ANSYS Workbench集成研發平臺下的機床床身有限元分析[J]. 現代機械,2008(6)：1-2.

[2] 李金華,劉永賢,韓家亮,等. 車削中心主軸系統熱特性有限元分析的研究[J]. 組合機床與自動化加工技術,2011(11)： 6-8.

[3] 張耀滿,劉春時,謝志坤,等. 高速機床主軸部件有限元分析[J]. 東北大學學報,2008(10)： 1474-1477.

[4] 于楊. 基于有限元法的機床主軸特性分析與優化設計[D]. 東北大學,2009： 17-25.

[5] 李兵,何正嘉,陳雪峰. ANSYS Workbench設計、仿真與優化[M]. 清華大學出版社,2011： 48-54.

[6] 韓家亮. 數控機床主軸系統熱特性分析及熱補償技術研究[D]. 東北大學,2009： 10-15.