双立柱数控镗削铲斗销孔专用机床主轴模态分析

王素粉(三门峡职业技术学院，河南三门峡 472000)

双立柱数控镗削铲斗销孔专用机床主轴模态分析

王素粉
(三门峡职业技术学院，河南三门峡 472000)

主轴是机床的关键零部件，其刚度直接影响了铲斗的加工精度，本文立足于机床的加工性能要求利用ANSYS14.0软件对主轴进行动态分析，得出阵型图，其分析结果为主轴进一步的分析和优化设计提供了理论依据。

主轴 模态 分析 优化设计

0 引言

对于铲斗机的设计，采用传统的设计理念已经不能满足铲斗销孔数控加工 的需要，对于孔系的平行度和同组孔系的同轴度及设备的柔性均需要精度更高的双立柱数控镗削铲斗销孔专用机床来完成，而数控镗削铲斗销孔专用镗床是加工铲斗销孔的专用机床，其关键部件为主轴和立柱部分，主轴的精度及刚度对孔的加工具有重要的影响力，而立柱的刚度和稳定性也直接影响到整个机床的精度。因此，在对数控镗削铲斗销孔专用镗床进行设计时，对其关键部件进行优化设计对铲斗的加工精度提高是非常有必要的。本文对双立柱数控镗削铲斗销孔专用机床的关键部件主轴进行动态分析，其结果为双立柱数控镗削铲斗销孔专用机床可靠性分析、加工精度的保证及优化设计提供理论基础。

1 主轴的网格划分

图1所示为双立柱数控镗削铲斗销孔专用机床主轴的二维图，建立有限元模型前，先对实体模型进行适当简化，忽略螺孔、小倒角等细小局部的影响。主轴的材料为45钢，其主要材料性能参数如下：弹性模量为E=210 GPa，密度为ρ=7.8 kg/cm3，泊松比为μ=0.3。划分网格后，模型的单元数为12096，节点数为13284。为了使的计算更加准确，本文中网格划分采用了映射的方式，在划分网格之前要把轴的多边形截面分割成几个小四边形，然后对这些小四边形再进行细分，对主轴的四分之一纵截面进行网格化分结果，划分结果如图2所示:

2 边界条件的处理

主轴在前后轴承的支承下高速旋转，为了计算方便，将其作为空间弹性梁处理，认为轴承只具有径向刚度，不具有角刚度，因此将支承进一步简化为径向的压缩弹簧，即梁的径向采用弹性边界元模拟轴承支承。每个轴承弹性支承均由四个均布的弹簧组成。图3所示，每个弹簧用一个弹簧-阻尼单元Combine14模拟。根据电主轴的工作情况，为了限制主轴X轴方向的移动，在T5、T6、T7、T8 4个节点加上UX约束，在T1、T2、T3、T4 4个节点为完全固接。研究主轴系统考虑弹性支承时的固有振动特牲，关键是确定弹簧单元Combine14的刚度K，其单位是N/μm。

图1 主轴二维模型图

图2 主轴网格划分

图3 横断面上的弹簧分布

滚动轴承刚度与轴承的预紧力有关，轴安装的是角接触球轴承，其最小预紧力为：

(1)

取两者中的较大值

式中：FrΙ—轴承Ι所承受的径向负荷FrΠ—轴承Π所承受的径向负荷αΙ—轴承Ι的接触角αΠ—轴承Π的接触角Fa—所有轴向外力的合力

根据前面的计算可得，需要预紧力大小为366 N。

根据得出的预紧力大小，角接触球轴承的静刚度为：

(2)

式中：Db—滚动体直径α—轴承接触角Fa0—轴承预紧力

由公式(2)可以得到，该角接触球轴承的静刚度Kr=224 N/μm。根据以上分析，在ANSYS中建立的机床原主轴有限元模型如图4所示：

图4 主轴有限元模型

3 求解及固有频率分析

通过施加压力，进行求解后所得到的主轴前六阶模态频率与阵型见表1，阵型图如图5所示。

从以上振型图及动画效果图中可以看出：一阶模态为主轴扭转振型，固有频率大小为174.01，而二阶和三阶模态分别为主轴在Z向和Y方向的摇摆，四阶模态为主轴在Z向摆动，五阶模态为主轴在XY面内摇摆，六阶模态主轴在Z方向弯曲。由以上的模态分析得到双立柱数控镗削铲斗销孔专用机床主轴的前6阶固有频率可以看出，第1阶固有频率为174.01，根据转速和频率的关系可计算得主轴的第一阶临界转速为10440.6 r/min。而该主轴的设计工作转速为3000 r/min，远远低于临界转速，故双立柱数控镗削铲斗销孔专用机床主轴的工作转速是安全的，能有效避开共振。

表1 主轴模态分析结果

4 小结

通过对双立柱数控镗削铲斗销孔专用机床的关键部件主轴的态分析，得出双立柱数控镗削铲斗销孔专用机床主轴的前六界阵型图，分析结果验证了主轴是可靠的，为机床主轴的可靠性分析、加工精度的保证及优化设计提供了理论基础。

(a) 扭转振型

(b) Z向移动振型

(c) Y向移动振型

(d) Z向摆振型

(e) XY平面摆动振型

(f) Z向弯曲振型

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The modal analysis of spindle For Double column CNC boring bucket pin hole dedicated machine tool

WangSufen
(SanmenxiaVocationalandTechnicalCollege,Sanmenxia472000,Henan)

Spindle is the key components of machine. Its stiffness directly affects the bucket machining accuracy.In this paper, the dynamic analysis of the spindle using ANSYS14.0 software based on the processing requirements of machine tools.The result of the analysis provides the theoretical basis for the further analysis and optimization design of the main shaft.

spindle modal analysis optimization design

1006-8244(2017)01-025-03

河南省高等学校重点科研项目：编号15B460009

王素粉，女，1981年生，河南省周口人，河南省三门峡职业技术学院讲师，学历与学位：硕士研究生,研究方向：CAD/CAM/CAE

TH133.2

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