基于ABAQUS的加工中心主軸組件靜態剛度特性分析

賈永軍 劉金娃

【摘 要】主軸作為機床的核心功能部件，其性能好壞直接影響工件的加工精度。而主軸靜態剛度特性是評價主軸性能的一項很重要的技術指標。通過分析T5V型加工中心某一切削加工實際工況，理論計算得出主軸工作載荷及軸承剛度。結合工況條件，建立了主軸靜態剛度計算有限元模型，利用ABAQUS有限元模擬仿真，計算得出主軸的最大變形量及主軸的靜態剛度值。進一步通過改變軸承預緊力大小，分析得出了軸承預緊力大小對主軸靜態剛度特性的影響規律。

【關鍵詞】靜態剛度；機床主軸；有限元；軸承剛度；預緊力

中圖分類號：TH133.2 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）32-0244-003

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.32.113

【Abstract】As the core components of machine tool， the performance of spindle can directly affects the machining precision， and the static stiffness is a very important technical index to evaluate spindle performance. By analyzing the working condition in a certain cutting process of T5V machining center， the working load and bearing stiffness of the spindle are calculated theoretically. The static stiffness of the spindle is established according to the working conditions for calculating the finite element model， and the maximum deformation and the static stiffness of the spindle are calculated by applying ABAQUS finite element simulation. Moreover， by changing the size of pretightening load， it，s influence law on static stiffness characteristics of spindle is obtained.

【Key words】Static stiffness； Machine tool spindle； Finite element； Bearing stiffness； Preload

0 引言

主軸作為數控機床中的核心功能部件，其性能的好壞對數控機床的加工精度有直接影響。主軸靜態剛度特性是主軸性能評價的一項重要指標，是衡量主軸受到外界載荷作用時抵抗變形的能力，對保證機床的加工精度至關重要[1]。因此，對主軸組件靜態剛度特性進行研究有很重要的意義。而有限元仿真計算是一種非常有效、經濟可靠的實驗驗證手段，這一方法普遍應用在主軸剛度研究中。

國內外專家學者很早就開始對機床主軸進行了研究。如Bollinger采用有限差分模型分析了車床主軸的特性[2]；Reddy和Sharna應用有限元模型研究車床主軸的動態特性及其設計[3]；Velagala R利用有限元法對車床主軸建模，并以軸承間隙、軸承剛度以及工件直徑大小為設計參數，對其進行靜、動態分析[4]；付華應用試驗模態分析與有限元計算相結合的方法，對傳統主軸部件進行了動力特性分析，并對主軸進行了動力修改[5]；肖曙紅對主軸組件靜、動態特性分析并編制了相關的有限元軟件[6]；劉素華利用有限元分析軟件電主軸的動靜態特性進行了分析[7]。

以上分析發現，目前對主軸系統的研究主要是以理論研究分析為主，針對工程實際的研究并不多。本文以T5V型加工中心某一切削實際工況下，利用ABAQUS有限元仿真分析討論，對機床主軸系統靜態剛度特性進行分析。

1 主軸力學模型的建立

1.1 主軸載荷的確定

2 有限元計算

2.1 材料屬性定義

主軸材料為20CrMnTi，密度ρ為3.26×103kg/m3，屈服強度σs為700MPa，彈性模量E為3.14×105MPa，泊松比ν為0.25。

2.2 主軸有限元模型

ABAQUS有限元計算時，需對主軸結構模型進行簡化。軸承組件簡化成彈性支撐，因軸向剛度和角度剛度影響較小可不考慮，只分析徑向剛度。有限元計算中選取C3D8R網格單元，劃分的網格單元數為90190，節點數為160759。簡化后的主軸網格模型如圖3所示。

2.3 有限元計算

由于主軸剛度受徑向切削力的影響較大，所有在計算中將（2）式求出的徑向力加載到主軸上，將（5）式求出的軸承剛度值加載到彈性支撐上，計算結果如圖4所示。

從圖中可得出，最大變形區域位于主軸前端，最大位移量δ為9μm，則主軸的靜剛度為61.67N/μm。

3 仿真分析與討論

軸承剛度會隨預緊力的改變而變化，主軸剛度也隨之變化。在其余參數不變的情況下，通過調整預緊力，研究預緊力變化對主軸靜態剛度特性的影響規律，進一步探究前、后軸承對主軸剛度的影響。

查手冊得到，前軸承組的預緊力為120N～760N，后軸承組的預緊力為90N～520N。取前軸承組的預緊力Gm1=160N，且其余參數不變，調整后軸承組預緊力并進行有限元仿真計算，得到主軸靜剛度曲線變化曲線如圖5所示。

從圖5可看出，在前承預緊力不變的情況下，增大后軸承的預緊力，軸承剛度隨著急速增大，當預緊力增加至400N之后，軸承剛度趨于平緩，但剛度值變化幅度并不是很大。從圖中得出，增大后軸承的預緊力對主軸靜態剛度的影響不大。

取后軸承組的預緊力Gm2=120N，且其余參數不變，調整前軸承組預緊力并進行有限元仿真計算，得到主軸靜剛度曲線變化曲線如圖6所示。

從圖6可看出，在后承預緊力不變的情況下，增大前軸承的預緊力，軸承剛度隨著急速增大，當預緊力增加至600N之后，軸承剛度趨于平緩，但剛度值變化幅度并不是很大。從圖中得出，增大前軸承的預緊力對主軸靜態剛度的影響不大。

4 結論

本文針對某一切削加工實際工況下，利用有限元模擬仿真的方法，對T5V型加工中心主軸的靜態剛度特性及影響規律進行分析，得出以下結論：

（1）對主軸某一特定工況進行受力分析，理論計算得出主軸工作載荷及軸承剛度。結合工況條件，建立了主軸剛度計算有限元模型，利用ABAQUS有限元模擬仿真，計算出了主軸的最大變形量，并得出了主軸的靜態剛度。

（2）在保持前主軸軸承預緊力不變的情況下，改變后軸承預緊力，有限元模擬仿真計算出了后軸承預緊力變化對主軸靜態剛度的影響規律。

（3）在保持后主軸軸承預緊力不變的情況下，改變前軸承預緊力，有限元模擬仿真計算出了前軸承預緊力變化對主軸靜態剛度的影響規律。

【參考文獻】

[1]陳連，劉曉萍.機床主軸靜剛度的優化設計[J].機械強度，1989（01）：6-9.

[2]Bollinger. J. Grand Geiger. G. Analysis of the Static and Dynamic Behavior of Lathe Spindles [J]， J. Mach. Tool Use. Rest， Vol. 3， 1994： 193-209

[3]Reddy. V. R. and Shoran. A. M. The finite-Element Modeled design of Lathe Spindle： The static and Dynamic Analysis [J]. ASMI： Journal of Vibrations， Acoustics， Stress and Reliability in design， Vol. 109. 1987

[4]Bollinger J Grand， Geiger G， Analysis of the state and Dynamic Behave of Lathe Spindles， Journal of Maehine Tool & Manufacture.1994， 3： 193-209

[5]付華.主軸部件的動態特性及動力修改[D].江蘇工學院，1992

[6]肖曙紅.前支承為三聯角接觸球軸承主軸組件的性能分析和簡化計算.大連理工大學，1994

[7]劉素華.加工中心用電主軸的研究與設計[DJ].北京理工大學， 2000

[8]成大先.機械設計手冊-第5版[M].北京：化學工業出版社， 2008.