数控铣镗床主轴箱的计算机辅助分析
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1 主轴箱的三维实体模型的建立该机床由主轴箱、立柱、滑座和、床身立柱等几大部分组成。主轴箱是数控铣镗床最重要部件之一,主要用于布置机床主轴及变速机构、操纵机构和润滑系统等。主轴箱除了保证运动参数外,应具有较高的传动效率和足够的刚强度,还应噪声低、振动小,工艺性好,便于检修,成本低,防尘防漏等。在设计中必须对其进行强度、刚度等分析,以保证整机的目标性能。其特性直接关系到铣镗床的加工精度及机床的可靠性。主轴箱结构的动力学模型是进行静态力分析和动态设计的基础,建立准确而可靠的整体有限元计算模型是一项重要工作。模型的构建及其简化正确与否直接关系到有限元计算结果的准确性。因此, 建立的三维实体模型必须具有足够的准确性,要能反映实际结构,且结构的简化、边界条件的设置要与实际情况一致[1]。基于主轴箱初始的方案设计,考虑其结构比较复杂,因而采用SolidWorks三维设计软件进行了参数化三维实体造型设计。
2 有限元模型的建立将三位实体结构模型导入ANSYS平台,并进行有限元分析计算的前处理,形成有限元计算模型。其中, 根据设计、工程实际及计算要求,做如下简化假设:忽略温度变化的带来的变形及应力影响,偏于可靠性地简化螺孔、凹槽及圆角等细部结构的离散化处理。主轴箱为铸造结构,材料为HT300,其密度为7400kg/ m3,弹性模量为145GPa,泊松比为0·26[224]。边界条件的确定是有限元计算的关键,主要包括离散结构的约束条件、刚性位移的处理等因素。根据此型号铣镗床主轴箱实际工作状态,立柱与箱体前导轨贴合,两侧被楔铁固定,所以两侧可视为全约束。立柱与箱体后导轨贴合,此方向被约束。与前导轨不同,后导轨另外两个方向自由度无约束。滚珠丝杠连接三个方向位移被限定,为全约束。对有限元模型进行静力求解的载荷因素主要考虑主轴箱在铣削刚度最薄弱时的工况,进行空间力系静力分析和计算,得出主轴箱所承受的作用力主要有加工时的切削力、重锤拉力、滑枕压力、主轴箱自身重力等。采离散化模型及边界条件所示施加载荷后的状况如图1所示。
3 主轴箱的有限元计算及结果分析 3·1 主轴箱的静力分析主轴箱前侧导轨处的刚度直接影响铣镗轴的刚度,此处刚度不足必然导致铣镗轴刚度不足,加工精度就难以保证,故有限元静力分析的关键在于此[5]。经过ANSYS有限元分析软件计算,如图2、3所示,生成受载后结构应力和位移的等值线图。图2 最大位移变形云图图3 应力分布云图图3显示了主轴箱受载后的总变形等值线图, 结构总变形位于0·0013mm ~0·0504mm,最大值约为0·113mm,最大变形位于主轴箱受重锤拉力的左端,结构的总变形较小,且主轴箱导轨处变形 0·0378mm,变形很小,能满足承载条件时产品的加工精度。应力计算结果如图3所示,可以看出主轴箱的应力最大值22Mpa,。HT300的强度极限为 250MPa,远远满足强度要求,说明此结构形式下箱体具有足够的抗强度破坏裕量,也表明现有结构设计偏于保守,还可以进行进一步的结构优化,减轻主轴箱重量。 3·2 主轴箱的模态分析[6] 运用ANSYS分析软件,对主轴箱的有限元模型施加约束后,利用Block Lanczos法,用一组向量来实现Lanczos递归计算,根据分析要求及经验类比,提取10阶模态,经ANSYS的模态分析模块求解后得到 10阶固有频率和振型,其中前10阶的固有频率和振型如表1所示。可以看出,主轴箱的第1阶频率为 158·99Hz,可以满足低速加工的需求,第2阶和第3 阶之间、第9阶和第10阶之间的固有频率差别较大, 且多为局部振型,后几阶模态的固有频率较为接近, 其主要原因是主轴箱的结构较复杂,组成结构的结 组合机床与自动化加工技术 第10期构有侧面、箱体内的轴承座和导轨的固有频率比较密集,是与其复杂的结构相对应的。按照厂里多年的经验及数据表明:此主轴箱的动态特性较好。表1 主轴箱前10阶模态计算结果阶数固有频率f/Hz振型 1 158·99右端向后摆 2 173·66右端向后上摆 3 246·72右端向后摆 4 261·77右端向前摆 5 298·05右端向后上摆 6 343·64整体绕x轴扭转 7 362·95各侧面弯振 8 383·79侧面弯振 9 398·04前面弯振 10 468·11下面弯振
4 主轴箱结构的改进设计对于镗铣床来说,主轴箱与加工精度密切相关。主轴箱的结构布局和尺寸等决定关系到机床的整体静、动态特性,如静、动刚度的大小和模态振型等特征的优劣。为了给主轴箱进一步的改进设计提供依据,根据以上对初始结构的分析计算提出改进设计内容。 4·1 主轴箱改进设计之一:壁厚参数的比较与确定镗铣床主轴箱是一空间板块结构,主要由侧板和筋板组成。主轴箱下部是主要的受力区域,对加工精度的影响也是比较大的,因此此处的变形也最受设计人员的关注。基于以上考虑,暂不改变。为了便于说明,对可优化的壁进行编号。编号如图4 所示。不断减小这些壁厚,经分析将受力区域小的地方如δ3,δ5幅度大些,其余地方幅度减小,并对有限元分析结果进行分析,确保主轴箱的应力、应变处于安全的范围内。壁厚的变化如表2所示。（本论文由上海论文网://shlunwen.整理提供，如需转载，请注明出处或联系我们的客服人员）