基于ANSYS的高速數控車床主軸箱箱體的優化設計

張文俊， 佟穎

（1.黃岡師范學院 機電工程學院，湖北 黃岡 438000；2.沈陽實力寶洋機電設備有限公司，沈陽 110141）

0引 言

影響數控車床加工精度的因素很多，機床自身幾何精度、傳動精度、定位精度等都會對加工精度產生影響。主軸箱箱體是精密數控車床的重要部件，其動態特性會影響機床內部齒輪嚙合傳動穩定性、零部件的振動，進而影響數控車床的加工精度和整機的動態性能，所以數控車床主軸箱的設計要求主軸箱箱體具有一定的振型和固有頻率，要避開內部齒輪的嚙合頻率，避免共振，才能保證箱體具有準確的動態特性。利用ANSYS Workbench軟件對精密數控車床主軸箱箱體進行模態分析，并根據分析結果對箱體進行優化,降低箱體薄弱區域相對最大振幅并確定主軸箱的振型和固有頻率，對主軸箱的降噪、減振和結構優化設計具有重要的意義。

1 主軸箱體有限元模型的建立

1.1 主軸箱體實體模型建立

首先用Pro/E軟件進行主軸箱體的三維建模,為減少模型的計算規模［1］，忽略了不影響整體動態特性的螺紋孔等局部結構,三維實體模型如圖1所示。

1.2 主軸箱體有限元網格模型的建立

把實體模型以X-T格式導入ANSYS Workbench,選用四面體網格Solid187對箱體進行網格劃分,共劃分了79 868個節點和45 767個單元。

主軸箱箱體材料為灰口鑄鐵［2］，泊松比 μ=0.25，彈性模量 E=150 GPa，密度 ρ=7 200 kg/m3，最小抗拉強度 σb=220MPa。箱體的有限元模型如圖2所示。

圖2 主軸箱有限元模型

2 主軸箱體靜力分析

主軸箱體的受力主要是數控機床加工時產生的切削力,切削力通過工件、前軸承、主軸、后軸承等傳遞到箱體,因切削時產生的切削力與主軸箱存在一定間距,通過施加遠程載荷，可以摸擬機床的加 工 狀 態［3］。 主軸箱體下端面通過螺栓與數控車床床身連接到一起，因此設定主軸箱體的節點為全約束,確定上述條件后，進行求解，可得到箱體在靜止和工作狀態下的最大應力及合位移.其值如表1所示。

表1 主軸箱體在靜止及工作狀態下的應力、合位移

表2 主軸箱體前6階模態頻率

3 主軸箱體的模態分析

模態分析主要用于確定結構或機器部件的振動特性，同時也是其他動力學分析的基礎［4］。 主軸箱體作為數控車床重要的部件，動態特性對其整體 性 能 有 重 要 影 響［5］。由于結構的振動可以表示為各階固有振型的線性組合，其中低階的振型對結構的動力影響程度比高階振型大［6］，所以只提取主軸箱體低階的前6階模態。利用ANSYS中的Block lanczos法對精密數控車床主軸箱進行模態分析，取其前6階模態，其固有頻率及相應的振型如表2。

本文僅列出主軸箱體的第1、第3和第5階振型如圖3～圖5。從圖3～圖5可以看出，主軸箱體發生了局部振動，振動主要發生在箱體頂部和箱體底部中間的筋板處，應對此二處進行結構優化，以提高主軸箱體低階模態的頻率，降低箱體頂部的振幅。

圖3 主軸箱體第1階振型

圖4 主軸箱體第3階振型

4 主軸箱箱體結構的優化設計

由于要優先設計主軸箱體內部的齒輪傳動系統，箱體內部的結構尺寸已確定，可變的只有加強筋的布置方式、箱體外部厚度及箱體外側局部形狀。增加箱體外部厚度雖然會提高剛度，但同樣會增加箱體的質量，增加生產成本，所以主軸箱體結構的優化設計應該以加強筋的改變為主，增加箱體外部厚度為輔。找出精密數控車床主軸箱體的危險區域，針對箱體結構的危險區域增添加強筋或箱體外側局部的形狀，以箱體最大相對振幅來判斷其動態特性的優化。

考慮到主軸箱體第1階繞z軸扭轉振動，將箱體外部的筋板連接起來；為加強箱體頂部薄弱環節的抗振能力，在筋板與箱體圓柱結合部增加倒圓角（R20 mm）；箱體中間前后的4條筋板各加厚5mm，箱體的重量增加5kg。優化后的箱體結構如圖6（b）所示。

圖5 主軸箱體第5階振型

圖6 優化前后箱體實體模型

對優化后的主軸箱體再次進行模態分析,發現箱體的固有頻率有所增加，振型基本不變。優化前后箱體的最大相對振幅變化如表3所示。

表3 優化前后箱體最大相對振幅

5結 論

1）利用有限元方法對主軸箱體進行了分析，得出了不同狀態下應力、位移的最大值分別為4.933 MPa和0.00306 mm。2）對主軸箱體的有限元模型進行了模態分析，箱體的各階頻率在579 Hz以上，避開了外界激勵產生的共振。箱體第1、3階的最大相對振幅在箱體頂部，第5階的最大相對振幅在箱體底部中間的筋板處，需對這些部位結構進行改進。3）將箱體外部的筋板連接起來、筋板與箱體圓柱結合部增加倒圓角、加厚了箱體中間前后的4條筋板，模態分析發現箱體相對振幅最大降低了約10%，有效改進了箱體動態特性，達到降噪的目的。

［1］ 王文平，項昌樂，劉輝.基于FEM/BEM變速器箱體輻射噪聲的研究［J］.噪聲與振動控制，2007（5）：107-111.

［2］ 吳宗澤.機械設計手冊［M］.北京：高等教育出版社，2007.

［3］ 王核心，李文祥，王建軍.高速數控車床主軸箱體的應力分析及結構優化［J］.工具技術，2012（8）：37-39.

［4］ 張超輝.ANSYS12.0結構分析工程應用實例解析［M］.北京：機械工業出版社，2010：5-10.

［5］ 田增強，鄭德聰，郭玉明，等.變速箱殼體靜力分析及模態分析［J］.中國農機化學報，2013（7）：178-181.

［6］ 石林，王揚渝，蔣建東，等.農機變速箱體的有限元模態分析及改進設計［J］.浙江工業大學學報，2010（4）：229-232.