基于有限元分析车铣复合加工中心主轴结构的特点

张小兵

（中北大学机电工程学院，山西 太原 030051）

引言

应用有限元分析方法，分析车铣复合加工主轴结构，车铣复合加工是一项综合加工技术，由于车铣复合加工中心有两个主轴，故此工件能在不停车状态下自动实现对接转移，能够完成工件全部以及大部分加工内容，充分显示出数控机床高速、复合加工的特点，提高加工效率。以下就对此做具体介绍：

1 浅析车铣复合加工中心

在车铣复合加工中，应该提升主轴结构高精度，使其具备高刚度、高速度的性能，主轴作为车铣复合加工中心的关键部件, 主轴前端有刀头,参与切削加工中，端点动柔度与低阶固有频率将会影响车铣复合加工中心的性能，在进行精加工与粗加工中，应该提升主轴的静、动态特性。利用有限元分析车铣复合加工中心主轴，计算出主轴的刚度以及扭转变形、弯曲度，不仅能可以提升车铣复合加工中心主轴性能，也可提升工作效益。

2 有限元分析车铣复合加工中心主轴结构

2.1 有限元分析建模

车铣复合加工中心主轴，是阶梯空心轴,确保加工中主轴部件动态、静态设计切实可行,对劲应用有限元分析软件ANSYS进行分析，简化主轴部件有限元模型。

首先，需要简化倒角成直角,并且还要忽略空刀槽；将润滑油孔以及工艺孔、螺纹孔等处按实体进行处理；并且对主轴作弹性元件的处理。其次，在有限元分析ANSYS中对主轴进行建模，可以根据简化实体模型尺寸来生成关键点与线,在生成截面上手工划分网格离散得到平面单元，然后将带网格面转为带网格的体。再者，建立约束条件，符合原主轴结构实际情况，合理进行有限元分析。最后，确定载荷条件，确定车铣复合加工中心主轴粗铣时的铣削力。

2.2 有限元分析

首先分析车铣复合加工中心主轴的三维实体模型，对其进行静态分析，可以对主轴加约束和载荷后，在ANSYSY里根据有限元模型直接求解，根据有限元方程：

设 F（t）=0，C=0

简化有限元方程为：Ma（t）+ Ka（t）=0

可以得到广义特征值：0=Φ−ΦMkω

求解得出 与 ，确定主轴解决固有特性。计算出车铣复合加工中心主轴中有限元节点在整体有限元模型坐标系中的位移量与扭转变形量,然后以表格以及色度图的形式，显示出位移量与扭转变形量的大小[3]。其次，可以根据各节点变形程度的强弱，计算出该点应力大小,则可知在车铣复合加工中心内部，主轴的应力主要集中在前端；得出车铣复合加工中心主轴中各个节点的位移变化值,根据径向刚度计算公式：Kr=F /W,就可以计算得到车铣复合加工中心主轴系统的刚度。

在处理具体问题的过程中,为了可以更加清晰的显示车铣复合加工中心主轴端的变形过程,可以在有限元分析软件ANSYS中用动画形式表形,显示出危险截面的所在位置，并且显示出前端靠近受力点的轴肩处，为车铣复合加工中心主轴的优化设计人员提供定量修改的依据。然后，建立轴有限元模型，采用2D、3D有限元模型对主轴进行模态分析。然后，可以根据车铣复合加工中心主轴前四阶的固有频率，在有限元分析软件ANSYS下拉框中，选择Precomplied Headers,并选中Automatic use of precompiled headers选项 ,可以在其中填入stdafx. H文件名，之后可以选择菜单中的Project-Add To Project-Files项，把拷贝过来的cpp文件全部加入当前工程之中。

3 有限元分析车铣复合加工中心主轴结构特点

3.1 主轴结构静态分析特点

对车铣复合加工中心主轴进行有限元分析，可以其主轴结构的静态分析中，对于主轴变化后的位移矢量中，可以看出车铣复合加工中心主轴的变形主要集中在主轴的前端,并且在车铣复合加工中心主轴受力点的位置变形最大,其后主轴端的变形也会依次减弱；再有就是车铣复合加工中心主轴受力点处的应力也最大,并且应力也将随着坐标向车铣复合加工中心主轴的后端逐渐靠近、逐渐减小。

3.2 主轴结构模态分析特点

对车铣复合加工中心主轴进行三维实体模态分析，主要就是对高速铣头进行固有振动特性分析与响应特性分析，根据无阻尼自由振动,得到车铣复合加工中心主轴振动系统固有特性,也就是对其固有频率与振型、振动应力进行分析。可知，在车铣复合加工中心主轴转动之时,需要承受交变循环应力的作用,这样就容易产生疲劳破坏,应该强化处理主轴结构，根据模态分析得到的固有频率,计算出主轴临界转速,使主轴有效转速小于临界转速，以便可以避开共振区域，优化主轴开发效率。

3.3 主轴结构铣削静刚度分析特点

刚度主要指机器工作时能否达到机床预定的加工精度，分析车铣复合加工中心主轴的静刚度，根据静载荷与位移比值，计算出主轴刚度。可知在车铣复合加工中心主轴内，主轴箱的头部为六角外形, 加强筋倾斜分布利于分解主轴载荷；如果主轴的箱头部为矩形,那么主轴的孔壁一侧将会与板壁相切,并且另一侧也会有两个加强筋用语支撑,使主轴载荷分解到左壁与两加强筋上。因此，在车铣复合加工中心的主轴中，对于主轴箱可以采用X形对角筋,提高主轴箱弯曲刚度，阻止立柱扭转变形，利于提高车铣复合加工中心主轴的整机刚度。在设计中，可以使主轴箱前后壁的方孔面积小于侧壁面的10%,可以降低对主轴面内弯曲的影响。

结论

综上所述，对车铣复合加工中心主轴进行有限元分析，得到更加精确的主轴结构结果, 有利于减少工作量与主轴结构设计周期，不仅可以确保主轴加工稳定性，也可以提高加工精度，具有实际应用价值。

[1]侯明明.车铣复合加工中心双绕组主轴力矩电机设计 [D].沈阳工业大学,2012.

[2]靳华.车铣复合加工中心副主轴同步接料运动控制研究 [D].河南理工大学,2012.