基于有限元分析車銑復合加工中心主軸結(jié)構(gòu)的特點

張小兵

（中北大學機電工程學院，山西 太原 030051）

引言

應用有限元分析方法，分析車銑復合加工主軸結(jié)構(gòu)，車銑復合加工是一項綜合加工技術(shù)，由于車銑復合加工中心有兩個主軸，故此工件能在不停車狀態(tài)下自動實現(xiàn)對接轉(zhuǎn)移，能夠完成工件全部以及大部分加工內(nèi)容，充分顯示出數(shù)控機床高速、復合加工的特點，提高加工效率。以下就對此做具體介紹：

1 淺析車銑復合加工中心

在車銑復合加工中，應該提升主軸結(jié)構(gòu)高精度，使其具備高剛度、高速度的性能，主軸作為車銑復合加工中心的關(guān)鍵部件, 主軸前端有刀頭,參與切削加工中，端點動柔度與低階固有頻率將會影響車銑復合加工中心的性能，在進行精加工與粗加工中，應該提升主軸的靜、動態(tài)特性。利用有限元分析車銑復合加工中心主軸，計算出主軸的剛度以及扭轉(zhuǎn)變形、彎曲度，不僅能可以提升車銑復合加工中心主軸性能，也可提升工作效益。

2 有限元分析車銑復合加工中心主軸結(jié)構(gòu)

2.1 有限元分析建模

車銑復合加工中心主軸，是階梯空心軸,確保加工中主軸部件動態(tài)、靜態(tài)設(shè)計切實可行,對勁應用有限元分析軟件ANSYS進行分析，簡化主軸部件有限元模型。

首先，需要簡化倒角成直角,并且還要忽略空刀槽；將潤滑油孔以及工藝孔、螺紋孔等處按實體進行處理；并且對主軸作彈性元件的處理。其次，在有限元分析ANSYS中對主軸進行建模，可以根據(jù)簡化實體模型尺寸來生成關(guān)鍵點與線,在生成截面上手工劃分網(wǎng)格離散得到平面單元，然后將帶網(wǎng)格面轉(zhuǎn)為帶網(wǎng)格的體。再者，建立約束條件，符合原主軸結(jié)構(gòu)實際情況，合理進行有限元分析。最后，確定載荷條件，確定車銑復合加工中心主軸粗銑時的銑削力。

2.2 有限元分析

首先分析車銑復合加工中心主軸的三維實體模型，對其進行靜態(tài)分析，可以對主軸加約束和載荷后，在ANSYSY里根據(jù)有限元模型直接求解，根據(jù)有限元方程：

設(shè) F（t）=0，C=0

簡化有限元方程為：Ma（t）+ Ka（t）=0

可以得到廣義特征值：0=Φ?ΦMkω

求解得出 與 ，確定主軸解決固有特性。計算出車銑復合加工中心主軸中有限元節(jié)點在整體有限元模型坐標系中的位移量與扭轉(zhuǎn)變形量,然后以表格以及色度圖的形式，顯示出位移量與扭轉(zhuǎn)變形量的大小[3]。其次，可以根據(jù)各節(jié)點變形程度的強弱，計算出該點應力大小,則可知在車銑復合加工中心內(nèi)部，主軸的應力主要集中在前端；得出車銑復合加工中心主軸中各個節(jié)點的位移變化值,根據(jù)徑向剛度計算公式：Kr=F /W,就可以計算得到車銑復合加工中心主軸系統(tǒng)的剛度。

在處理具體問題的過程中,為了可以更加清晰的顯示車銑復合加工中心主軸端的變形過程,可以在有限元分析軟件ANSYS中用動畫形式表形,顯示出危險截面的所在位置，并且顯示出前端靠近受力點的軸肩處，為車銑復合加工中心主軸的優(yōu)化設(shè)計人員提供定量修改的依據(jù)。然后，建立軸有限元模型，采用2D、3D有限元模型對主軸進行模態(tài)分析。然后，可以根據(jù)車銑復合加工中心主軸前四階的固有頻率，在有限元分析軟件ANSYS下拉框中，選擇Precomplied Headers,并選中Automatic use of precompiled headers選項 ,可以在其中填入stdafx. H文件名，之后可以選擇菜單中的Project-Add To Project-Files項，把拷貝過來的cpp文件全部加入當前工程之中。

3 有限元分析車銑復合加工中心主軸結(jié)構(gòu)特點

3.1 主軸結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析特點

對車銑復合加工中心主軸進行有限元分析，可以其主軸結(jié)構(gòu)的靜態(tài)分析中，對于主軸變化后的位移矢量中，可以看出車銑復合加工中心主軸的變形主要集中在主軸的前端,并且在車銑復合加工中心主軸受力點的位置變形最大,其后主軸端的變形也會依次減弱；再有就是車銑復合加工中心主軸受力點處的應力也最大,并且應力也將隨著坐標向車銑復合加工中心主軸的后端逐漸靠近、逐漸減小。

3.2 主軸結(jié)構(gòu)模態(tài)分析特點

對車銑復合加工中心主軸進行三維實體模態(tài)分析，主要就是對高速銑頭進行固有振動特性分析與響應特性分析，根據(jù)無阻尼自由振動,得到車銑復合加工中心主軸振動系統(tǒng)固有特性,也就是對其固有頻率與振型、振動應力進行分析。可知，在車銑復合加工中心主軸轉(zhuǎn)動之時,需要承受交變循環(huán)應力的作用,這樣就容易產(chǎn)生疲勞破壞,應該強化處理主軸結(jié)構(gòu)，根據(jù)模態(tài)分析得到的固有頻率,計算出主軸臨界轉(zhuǎn)速,使主軸有效轉(zhuǎn)速小于臨界轉(zhuǎn)速，以便可以避開共振區(qū)域，優(yōu)化主軸開發(fā)效率。

3.3 主軸結(jié)構(gòu)銑削靜剛度分析特點

剛度主要指機器工作時能否達到機床預定的加工精度，分析車銑復合加工中心主軸的靜剛度，根據(jù)靜載荷與位移比值，計算出主軸剛度。可知在車銑復合加工中心主軸內(nèi)，主軸箱的頭部為六角外形, 加強筋傾斜分布利于分解主軸載荷；如果主軸的箱頭部為矩形,那么主軸的孔壁一側(cè)將會與板壁相切,并且另一側(cè)也會有兩個加強筋用語支撐,使主軸載荷分解到左壁與兩加強筋上。因此，在車銑復合加工中心的主軸中，對于主軸箱可以采用X形對角筋,提高主軸箱彎曲剛度，阻止立柱扭轉(zhuǎn)變形，利于提高車銑復合加工中心主軸的整機剛度。在設(shè)計中，可以使主軸箱前后壁的方孔面積小于側(cè)壁面的10%,可以降低對主軸面內(nèi)彎曲的影響。

結(jié)論

綜上所述，對車銑復合加工中心主軸進行有限元分析，得到更加精確的主軸結(jié)構(gòu)結(jié)果, 有利于減少工作量與主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計周期，不僅可以確保主軸加工穩(wěn)定性，也可以提高加工精度，具有實際應用價值。

[1]侯明明.車銑復合加工中心雙繞組主軸力矩電機設(shè)計 [D].沈陽工業(yè)大學,2012.

[2]靳華.車銑復合加工中心副主軸同步接料運動控制研究 [D].河南理工大學,2012.