基于有限元分析車銑復合加工中心主軸結構的特點

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構，車銑復合加工是一項綜合加工技術，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下自動實現對接轉移，能夠完成工件全部以及大部分加工內容，充分顯示出數控機床高速、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，應該提升主軸結構高精度，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構

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、靜態設計切實可行,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，可以根據簡化實體模型尺寸來生成關鍵點與線,在生成截面上手工劃分網格離散得到平面單元，然后將帶網格面轉為帶網格的體。再者，建立約束條件，符合原主軸結構實際情況，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，對其進行靜態分析，可以對主軸加約束和載荷后，在ANSYSY里根據有限元模型直接求解，根據有限元方程：

設 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點在整體有限元模型坐標系中的位移量與扭轉變形量,然后以表格以及色度圖的形式，顯示出位移量與扭轉變形量的大小[3]。其次，可以根據各節點變形程度的強弱，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點的位移變化值,根據徑向剛度計算公式：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化設計人員提供定量修改的依據。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分析。然后，可以根據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構特點

3.1 主軸結構靜態分析特點

對車銑復合加工中心主軸進行有限元分析，可以其主軸結構的靜態分析中，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 主軸結構模態分析特點

對車銑復合加工中心主軸進行三維實體模態分析，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，根據無阻尼自由振動,得到車銑復合加工中心主軸振動系統固有特性,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動之時,需要承受交變循環應力的作用,這樣就容易產生疲勞破壞,應該強化處理主軸結構，根據模態分析得到的固有頻率,計算出主軸臨界轉速,使主軸有效轉速小于臨界轉速，以便可以避開共振區域，優化主軸開發效率。

3.3 主軸結構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，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將會與板壁相切,并且另一側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，阻止立柱扭轉變形，利于提高車銑復合加工中心主軸的整機剛度。在設計中，可以使主軸箱前后壁的方孔面積小于側壁面的10%,可以降低對主軸面內彎曲的影響。

結論

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構結果, 有利于減少工作量與主軸結構設計周期，不僅可以確保主軸加工穩定性，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計 [D].沈陽工業大學,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.