高速立式加工中心主轴箱结构设计及分析_文怀兴
立式加工中心主轴组件的结构设计
摘要加工中心由于备有刀库并能自动更换刀具，使得工件在一次装夹中可以完成多工序的加工。
加工中心一般不需要人为干预，当机床开始执行程序后，它将一直运行到程序结束。
加工中心还赋予了专业化车间一些诸多优点，如：降低机床的故障率，提高生产效率，提高加工精度，削减废料量，缩短检验时间，降低刀具成本，改善库存量等。
由于加工中心的众多优势，所以它深受全球制造企业的青睐。
加工中心主要由主轴组件、回转工作台、移动工作台、刀库及自动换刀装置以及其它机械功能部件组成。
其中的主轴组件是机床重要的组成部分，其运动性能直接影响机床加工精度与表面粗糙度。
本文在查阅大量国内外文献的基础上，通过研究分析不同加工中心主轴组件的性能，综合地比较了其特点，并拟定了一个较为合理的主轴组件结构方案。
同时，还就主轴、轴承以及丝杠等重要零件的机械性能进行了探讨，并对这些零件的刚度和强度进行了校核。
此外，本设计中所采用的陶瓷轴承能有效地增加主轴的刚度，从而提高了加工中心的可靠性和稳定性。
关键词：主轴组件，加工中心，数控机床Spindle unit design of Vertical machining centerABSTRACTMachining center evolved from the need to be able to perform a variety of operations and machining sequences on a workpiece on a single machine in one setup. Machining center requires little operator intervention, and once the machine has been set up, it will machine without stopping until the end of the program is reached. Some of the other advantages that machining centers give a manufacturing shop are greater machine uptime, increased productivity, maximum part accuracy, reduced scrap, less inspection time, lower tooling costs, less inventory and so on. Because of their many advantages, machining centers become widely accepted by manufacturing enterprises in the world.Machining centers are equipped with spindle units, rotary workbench, moving workbench, tool magazines and automatic tool changers, and other mechanical function components. Spindle unit is the important motion part of the metal cutting machine tool. Its movement behavior affects the machining accuracy and surface roughness of part to be machined. Through referring to a variety of technical literatures, the characteristics of some kinds of spindle units are compared with each other based on analysis and research work on different machining centers. A reasonable scheme can be studied out. Meanwhile, the mechanical behaviors of principle parts such as the spindle,bearings and lead screw are discussed. Their rigidity and strength are calculated and examined here. Morever, a kind of advanced ceramic bearings is introduced into the spindle unit, which can effectively enhance the rigidity of spindle units. They will improve the reliability and stability of machining centers.Key words：spindle unit，machining center，NC machine tool立式加工中心主轴组件的结构设计0 引言装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展高新技术产业和尖端工业（如：信息技术及其产业，生物技术及其产业，航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。
中心主轴箱加工工艺研究
主轴箱是立式加工中心机床的关键零件，采用对称设计，根据动力学分析，进行合理的布筋，从而保证其具有良好的抗扭曲和抗弯曲能力，同时具有良好的精度稳定性。
主轴箱在机床结构上起着定位支承及延长主轴轴伸出的作用，因此对其制造精度要求很高。
1 主轴箱结构以我公司生产的某立式加工中心主轴箱为例，其截面形状如图 1 所示，内腔主轴深孔如图2 所示，通过对主轴箱结构及加工需求分析，确定加工过程中需要特别注意的重点、难点，制定出合理的加工工艺方案，以保证主轴箱的加工质量，提高生产效率。
2 加工需求分析主轴箱毛坯材料为300，铸件采用树脂砂造型，与立柱之间的移动采用滚柱直线导轨配合，其主要要求如下 1 铸件不得有砂眼、气孔、缩松和裂纹等铸造缺陷，铸件需时效处理，硬度不低于190。
2 两导轨立面直线度0005，两导轨面直线度001，导轨大面平面度001。
3 丝杠座大面与两导轨面平行度001，立面与导轨立面平行度0014主轴孔© 1405与导轨大面、立面平行度0005。
5各重要面表面粗糙度值均为=16卩。
3 工艺方案难点分析通过对主轴箱零件的结构和加工需求分析可以得出加工重点及难点如下 1 导轨面是丝杠座、主轴孔的基准，如何保证两条导轨面较高的形位公差要求是加工中的难点。
2© 1405 主轴孔是主轴箱的重点部位，如何保证尺寸公差和位置精度，也是加工中的难点，在工艺方案中需要重点考虑。
3 由于主轴箱的精度直接影响机床的精度，因此保证主轴箱的精度稳定性也是工艺方案考虑的重点。
4确定工艺方案确定工艺方案的原则为①合理布置时效工序，消除主轴箱的各种应力，保证主轴箱的精度稳定性。
②正确安排粗、精加工工序，尽可能使粗加工造成的加工误差通过半精加工和精加工得到纠正。
③充分利用卧式加工中心机床的加工性能，尽量减少零件的工序周转，提高效率。
④合理安排精加工工序，保证零件加工后尺寸及形位公差的稳定性。
根据以上原则，结合我公司设备及工艺习惯，确定主轴箱加工工艺流程如图 3 所示。
高速立式加工中心主轴箱敏感度分析及优化
摘要 ： 于有 限元 分析 方 法利 用拓扑 优化 和敏 感 度 分析 对 主轴 箱进行 了快 速设 计 及 优 化 。首 先 ， 箱体 基 对 毛坯 进行 宏观 结构 的拓 扑优 化 ， 结合 工 艺将 结 构 中所 有 不 需要 的 材料 去 除 ， 而 达 到 结构 的合 理 布 局 ， 从 实现 快速 设计 。其 次 ， 对初 步建 立 的主轴 箱 结构进 行敏 感度 分 析 ， 快 有效 设 计 变量 的 建 立 。最 大程 度 加
快产 品投放 的速 度 ， 产 品具 备更 强 的市场 效应 。 使
要求越来 越高 ， 主轴进 给 速度 和最 大扭 矩 的要求 也 逐 对
步提高 。加工 中心 的高速 化 ， 得最 初配 备 的主轴 箱 等 使 关键部件 的刚度和精 度要 求难 以满 足 ， 主轴箱 性 能 的研
究 成 为 现 代 制 造 技 术 发 展 中 不 可 抗 拒 的 历 史 潮 流 ， 为 作
Ａｂ ｔａ ｔ ｓｒ ｃ ：Ｂａ ｅ ｎ ｔ ｅ ｆｎ ｔ ｌｍ ｅ ｔ ａ ｌ ｉ ｓ ｄ ｏ ｈ ｉｅ ｅｅ ｎ ｎａｙｓｓ ｅｈｏ ｈ ａ ｄ ｄ ｓｇ ｎ ｐｔ ｉ ａ ｉｎ ｏ ｐｉ ｄ ｅ ｂｏ ｉ ｍ ｔ ｄ ｔ ｅ ｒ ｐｉ ｅ ｉｎ ａ ｄ ｏ ｉ ｚ ｔｏ ｆ ｓ ｎ ｌ ｘ ｂｅ ｍ ｍ ａ ｙ ｕ ｉｇ ｔ ｐｏｌｇｃ ｌ ｐｔｍ ｉ ａ ｉｎ ａ ｄ ｓ ｎ ｉｉｉｙ ａ ｌ ｉ． ｒ ｔ ｍ ａ ｅ ｔ ｐｏｌｇｃ ｌ ｐｔｍ ｉ ａ ｉｎ ｏ ａ ｒ ’ ｄｅｂ ｓｎ ｏ ｏ ｉａ ｏ ｉ ｚ ｔｏ ｎ ｅ ｓｔｖ ｔ ｎａｙｓｓ Ｆｉｓ ， ｄ ｏ ｏ ｉａ ｏ ｉ ｚ ｔｏ ｆｍ ｃ ｏ ｓ ｏ ｃ ｌｓ ｒ ｃ ｕ ｅ ｆ ｒｂ ｘ ｂ ａ ｋ，ｃ ｍ ｂｎｉ ｈ ｅ ｈ ｉｓ ｄ ｓｇ ｅ ｏ ｅ ｔ ｅ ｍａ ｅ ｉｌｏ ｌ ｎ ｅ ｏ ，Ｓ ｓ ｔ ‘ ｃ ｐｉａ ｔｕ ｔ ｒ ｏ ｏ ｌｎ ｏ ｉ ｎｇｔ ｅ ｔ ｃ ｎ ｃ ｅ ｉ ｒ ｍ ｖ ｈ ｔｒａ ｆａｌ ｅ ｄ ｎ ｔ Ｏ ａ ｏ ａ ｎ
数控立式加工中心的主轴箱设计设计开题报告
数控立式加工中心的主轴箱设计设计开题报告1 开题依据机床是将金属毛坯加工成机器零件的机器，它是制造机器的机器，所以又称为”工作母机”或”工具机”，习惯上简称机床。
现代机械制造中加工机械零件的方法很多：除切削加工外，还有铸造、锻造、焊接、冲压、挤压等。
在一般的机器制造中，机床所担负的加工工作量占机器总制造工作量的40％-60％，机床在国民经济现代化的建设中起着重大作用。
所以此次提出数控立式加工中心的设计。
2 文献综述2.1 数控机床的基本概况数控（numerical control,NC）机床，顾名思义，是一类由数字程序实现控制的机床。
与人工操作的普通机床相比，它具有适应范围广、自动化程度高、柔性强、操作者劳动强度低、易于组成自动生产系统等优点[2]。
数控机床也就是一种装了程序控制系统的机床，该系统能逻辑处理具有使用号码或其他符号编码指令规定的程序 [8]。
1952年，美国PARSON公司与麻省理工学院（MIT）合作，研制出世界上第一台数控机床。
从此机床行业，乃至整个制造业和相关产业进入了一个新的发展阶段。
在机床行业，由于采用了数控技术，许多过去在普通机床上无法完成的工艺内容得以完成，大量普通机床为数控机床所代替，这就极大地促进了机床行业的技术进步和行业发展。
对于整个制造业，由于大量引用数控机床，使得产品质量大幅度提高，新产品开发周期明显缩短，满足了广大消费者求新和追求个性化的要求，从而形成了制造业与市场相互促进的发展趋势。
一段时期内机床行业在技术发展上曾被视为“夕阳工业”，如今再度受到全世界的高度重视。
在这一历史转变中，数控机床的产生与发展功不可没。
此外，数控机床的发展，还带动了众多相关产业和技术的发展。
随着科学技术的发展，机械产品的结构越来越合理，其性能、精度和效率日趋提高，更新换代频繁，生产类型由大批大量生产向多品种小批量生产转化。
因此，对机械产品的加工相应地提出了高精度、高柔性与高度自动化的要求。
立式加工中心主轴设计论证报告
机电工程学院毕业设计方案论证报告设计题目: VMC4032加工中心立柱主轴设计学生姓名：王毅可学号： 200848050315专业班级：机制F0802指导教师：朱红瑜2012 年03月14日目次1、任务书分析 (1)2、课题关键问题及难点 (2)2.1 主传动系统组成 (2)2.2 主轴部件的要求 (3)2.3 支撑件设计 (4)2.4 导轨设计 (5)2.5 进给传动系设计 (5)3、方案论证 (6)3.1 主轴电动机 (6)3.2 传动方案 (6)3.3 自动夹紧 (9)3.4 主轴准停装置 (10)3.5 切屑清除 (11)3.6 加工中心的支撑系统设计 (12)3.7、进给传动系设计 (14)4、本设计方案选择 (16)5、进度安排 (17)参考文献 (18)VMC4032加工中心立柱主轴设计论证报告1、任务书分析本设计任务书主要要求是完成V400性柔性制造单元主轴主轴箱部分方案选择，结构设计及零件设计，同时对于主轴支撑系统如立柱，Z方向进给系统如导给定的条件和要求，主要参数要求如下：主轴伺服电机功率7.5/11KW，主轴转速0～6000r/min，自动无级变速，主轴内锥孔采用BT40#，具有定向停止功能，立柱、主轴箱具有较好的刚度，与床身联接尺寸协调。
通过这次毕业设计对于机械的设计方案有一定的了解对于已经学习的课程做一个总结，学会整合所学习的知识，能够灵活运用。
同时使自己检索文献的能力也有所提高，培养自己的自学能力独立解决问题的能力。
对于三维软件的练习也是本次设计中所应当注意到的方面。
2、课题关键问题及难点主轴组件是加工中心的关键部件，包括主轴，主轴轴承及安装在主轴上的传动件，密封件等。
对于加工中心，为了实现刀具在主轴上的自动装卸与夹持，还必须具有刀具自动加紧装置，主轴定向装置和主轴锥孔清理装置等结构。
对于加工中心的进给系统及加工中心的丝杠导轨系统的精度设计，立式主轴的准停机构。
立柱的刚度等都要做详细的论证。
立式加工中心主轴组件的结构设计开题报告
立式加工中心主轴组件的结构设计开题报告立式加工中心主轴组件的结构设计立式加工中心主轴组件的结构设计1 综述1.1 本课题研究的目的和意义装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展高新技术产业和尖端工业(如:信息技术及其产业，生物技术及其产业，航空、航天等国防工业产业)的使能技术和最基本的装备。
制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。
当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。
此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。
总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。
加工中心是典型的集高新技术于一体的机械加工设备，它的发展代表了一个国家设计、制造的水平，因此在国内外企业界都受到了高度重视。
本课题的目的是进行立式加工中心主轴组件的结构设计，主轴组件作为加工中心的执行元件，它带动刀具进行切削加工、传递运动、动力及承受切1立式加工中心主轴组件的结构设计削力等，并需满足相关的技术指标要求。
1.2 本课题拟解决的关键问题各类机床对其主轴组件的要求，主要是精度问题，就是要保证机床在一定的载荷与转速下，主轴能带动工件或刀具精确地、稳定地绕其轴心旋转，并长期地保持这一性能。
主轴组件的设计和制造，都是围绕着解决这个基本问题出发的。
为了达到相应的精度要求，通常，主轴组件应符合以下几点设计要求:1) 旋转精度指机床在空载低速旋转时，主轴前端安装工件或刀具部位的径向和轴向跳动值满足要求。
目的是保证加工零件的几何精度和表面粗糙度。
2) 刚度指主轴组件在外力的作用下，仍能保持一定工作精度的能力。
XH716立式加工中心总体设计及主轴系统设计
XH716立式加工中心总体设计及主轴系统设计机械设计制造及其自动化摘要加工中心是典型的集高技术于一体的机械加工设备，它大大提高了劳动生产率，降低了劳动成本，改善了工人的工作环境，降低了工人的劳动强度。
本文经过对不同运动方案和各部件的设计方案的定性分析比较确定该立式加工中心的进给传动方案为：采用固定倒T型床身，电动机轴通过安装座安装在立柱导轨的滑座上，立柱导轨采用滚动直线导轨，可以实现Z方向的进给运动。
由X、Y向精密数控装置分别控制工作台和立柱完成X, Y两个方向的进给运动;X, Y, Z三个方向的进给运动均滚珠丝杠，并由交流伺服电机驱动。
导轨、滚珠丝杠采用多种润滑方式。
关键词：立式加工中心；伺服电机；精度；主轴箱；进给运动。
AbstractMachining center is a typical set of high-tech machining equipment in one, its greatly increased the labor productivity, reduce labor costs, improved working environment and reduce the labor of workers strength. This movement through the different programs and the design of various components of qualitative analysis and comparison of vertical machining centers to determine the progress of education to drive the program are: fixed inverted T-type bed, spindle seat installed by installing the sliding seat rail bed , use linear rolling guide rail bed can be achieved to the movement into the Z direction. By X, Y, precision CNC device to control the feed motion of the table and column X, Y two directions; X, Y, Z three directions of movement are ball screw feed, driven by AC servo motor. Guides, ball screws using a variety of lubrication.Key words: Vertical machining center; Servo motor; Accuracy；spindle box；Feed motion。
立式加工中心主轴部件综述
立式加工中心主轴部件综述立式加工中心的主轴部件，嘿，听起来是不是有点高大上？其实它就像是整台机器的“心脏”，没了它，啥都别想动。
你看啊，主轴的作用可大了，它负责把刀具转起来，就像我们开车得有发动机一样，主轴就是驱动整台机器的动力源泉。
想象一下，没有主轴，刀具也没办法精准地去切削那些金属、塑料、木材啥的，整个加工过程就像是乱了套，什么都做不成。
所以说，主轴对加工中心来说，就跟食堂的厨师对一锅菜的重要性是一样的。
可以没有花里胡哨的调料，但一定不能少了主厨。
先说说主轴的工作原理，哎呦喂，听着可能有点复杂，其实也不难。
你看主轴呢，像是个大电动机，或者说是电机的“兄弟”，它是通过电力来驱动刀具转动的。
别看它外形不怎么起眼，实际上它得承受巨大的转矩和振动。
比如说你想把一块坚硬的金属切割成一片片，那个过程可不是开玩笑的，刀具跟主轴之间的配合那叫一个默契，才能顺利完成这些“暴力”动作。
所以，主轴的强度和稳定性，直接决定了加工质量和效率。
主轴要是太弱了，转速上不去，刀具也没法快速有效地工作。
再比如，假如主轴的精度有问题，那可就糟糕了。
想象一下，你用一把刀子做菜，切出来的东西歪歪扭扭的，不对称，那能做出好吃的饭菜吗？说到这里，可能大家会有点疑问，为什么要专门聊主轴呢？其实不光是因为它重要，更因为它容易出问题。
主轴就像是咱们的手机电池，一旦坏了，你就啥都做不了了。
主轴的故障会导致设备运转不正常，甚至让整个生产线停摆。
就好比你的电脑一旦蓝屏了，基本上全世界都停止运转。
常见的主轴问题包括振动过大、噪音大，甚至会发生过热，导致机器无法继续工作。
比如说，主轴的轴承如果没保养好，就可能发生卡顿，最后就只能停下来修了。
所以啊，定期检查主轴部件是每个技术员的“必修课”，这种活儿不能马虎，得细心。
你说，主轴也有“寿命”啊。
它不像咱们人类，可以吃点保健品来延长“使用年限”，它的寿命主要取决于材料、制造工艺和使用环境。
好比一辆车子，开得太猛，没给它做保养，最后早晚得出问题。
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高速立式加工中心主轴箱结构设计及分析文怀兴1,陆 君1,吕玉清2(1.陕西科技大学机电工程学院,陕西西安 710021)(2.宁夏中卫大河机床有限责任公司,宁夏中卫 755000)摘要:以高速立式加工中心主轴箱为研究对象,为满足高速加工中心整体性能的需要,利用Pro/E 软件,建立了4种主轴箱结构的三维模型,分别进行了主轴箱的力学分析和静、热刚度计算,并对4种方案中最优的设计方案进行了合理的结构优化。
分析结果表明,箱体内筋板是影响主轴箱整体刚度的重要因素,并通过优化设计改进了筋板结构布局,提高了箱体刚度。
关键词:主轴箱;Pro/E;静刚度;热刚度中图分类号:TH122A 文献标识码:A 文章编号:1672-1616(2010)19-0037-04 高速加工具有生产率高、切削力小、工件热变形小、加工精度和表面质量高等4大优点,因此获得了许多工业部门的青睐。
加工中心的高速化,使得最初配备的主轴箱等关键部件的刚度和精度要求难以满足,因此必须加强对机床重要部件自身刚度、强度、抗振性的分析来提高机床整体性能,使高速加工技术得到更快的发展[1]。
与国外技术相比,国产数控机床还有一段差距,需要进一步提高进给速度、位置精度以及重复定位精度等性能指标。
要提高这些参数必须拥有一套与之相应的有限元模拟仿真和完整的静、动态性能分析方法及优化方案。
作为机床主轴系统的重要部件主轴箱体,对其进行结构设计、布局以及静力学动力学分析,是迎合高速加工中心发展的必要条件。
因此,如何根据制造工艺技术及组配件的要求,在设计上灵活应用并有所创新,以更好地适应高速加工中心的需要,是摆在机床设计人员面前的一个新课题。
高档数控机床的发展将在机床制造业的市场竞争中带来显著的经济效益与社会效益。
本文对主轴箱的研究是为机床厂提供合理的方案选择,对性能最佳的方案进行结构最优化设计,为整体动态性能分析奠定基础,实现从机床的前期设计阶段到生产阶段的转变,达到国内先进水平。
1 主轴箱的结构设计及分析1.1 主轴箱三维建模主轴箱结构设计采用了以往的设计经验,在结构上采用不同的筋板支撑来提高主轴箱自身刚度,例如:连续加强筋可明显提高扭转刚度,不连续的边缘加强筋对扭转刚度的影响不大,同时边缘加强筋有助于减少缺口部位的应力集中缺陷,对于提高这些部位的刚度是有效的,只有当它有利于形成封闭的切应力流的隔板时,才能对整个结构刚度的提高起到有益作用[2]。
在分析了影响刚度的因素后,对主轴箱进行结构设计。
主要设计了4种模型,如图1所示。
图1 三维模型设计收稿日期:2010-05-06基金项目:“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项基金资助项目(2009ZX04001-014)作者简介:文怀兴(1957-),男,陕西武功人,陕西科技大学教授,博士,主要研究方向为机械设计制造及自动化。
模型1:主轴箱底部与伸出部分采用三角形筋连接,可以保证足够的强度,尤其是矩形截面连接处,同时可减少金属材料。
模型2:与模型1相比主轴箱底部与伸出部分的连接采用倾斜面自由过渡,内部筋板采用直角相交,质量增加不大的情况下能够提高刚度。
模型3:内部筋板采用品字网状结构,构成连续加强筋,有助于提高扭转刚度。
模型4:在模型3的基础上改变了筋间距并增加了一些孔。
按上述模型分别对其进行结构静力分析,用实体单元模拟几何模型,初步计算模型的径向与轴向刚度值。
通过分析比较,确定出相对最优方案,以此来进行优化研究,改进初步设计。
1.2 参数选择主轴箱材料为铸铁TH250,其材料特性参数见表1。
单元选择Solid95实体单元,主轴箱模型形状复杂,采用智能划分网格。
表1 材料的相关参数泊松比μ弹性模量E/Pa密度ρ/(kg·m-3)比热C/(J·(kg·℃)-1)热胀系数α/℃-1热导率λ/(W·(m·℃)-1)0.271.3×1011734052010.5×10-6501.3 有限元约束边界条件主轴箱通过滑块与Z轴向导轨连接悬挂在立柱上,丝杠提供主轴箱体在Y轴方向的运动和锁紧,所以丝杠装配孔的边界条件简化为Y轴方向的固定约束。
轴承与主轴箱体之间的装配关系是过盈配合。
在加工状态下,力通过刀具传递给主轴,再由主轴传递给主轴箱中的轴承孔,在周期性载荷下主轴箱产生加工误差。
由于刀具的加工力是一个交变力,而本文只作静力分析,因此就不再讨论处于加工状态下的主轴箱结构效应,只分析主轴箱处于进给状态时的应力和变形情况。
1.4 静力分析结构静力分析是优化高级结构分析的基础,静力分析能够得出结构在固定不变载荷作用下的变形。
在静力分析中,不考虑惯性和阻尼的影响,因此从动力学方程中去掉时间相关项可以得到: [K]·{X}=F在线性分析的假设下,刚度矩阵[K]为常数,这与胡克定律是一致的。
从方程中不难看出,静力学分析只要输入载荷,通过分析即可得到对应载荷下的位移、应力、应变。
在这些计算结果的基础之上可以决定做什么样的更改,才能达到最优化设计。
在静力分析中为符合实际受力情况,把主轴单元转换为集中质量单元,这样既满足了受力条件,又能够简化模型,提高效率。
上述4种模型通过静力学分析得出的结果见表2。
由表2可以看出,模型3各项指标最好,且计算得出Z轴刚度要远大于径向(Y)刚度值,因此影响主轴箱刚度的因素主要取决于径向刚度。
经分析结果验证,最终选定模型3为设计模型,并对其进行进一步的优化设计,可最大限度提高模型刚度。
表2 各主轴箱分析结果模型1模型2模型3模型4最大位移/m2.55E-52.31E-51.94E-52.26E-5 Z向位移/m2.48E-52.24E-51.86E-52.18E-5 Y向位移/m6.25E-65.65E-65.57E-66.22E-6应力/Pa1.81E+71.77E+71.75E+71.61E+7应变能1.98E-11.79E-11.44E-11.71E-11.5 主轴箱静刚度计算a.轴向刚度:主轴箱所受的轴向力为9000N,转化为面力施加在主轴前端面上并进行静力分析,轴向刚度K=F/Y=9000/0.019= 473684.21N/mm。
b.径向刚度:主轴箱所受的径向力为1029N,转化为面力分别施加在主轴前端面的侧面上并进行静力分析,径向刚度K=F/Y=1029/ 0.0056=183750N/mm。
通过分析计算,主轴箱的轴向刚度远远大于径向刚度,所以整个主轴箱的刚度主要由径向刚度决定,要提高主轴箱的刚度,应以提高径向刚度为主[3]。
1.6 主轴箱热刚度分析考虑到主轴箱的变形不仅受到切削力影响,而且还受到温度的作用,因为主轴转速越来越高,系统产生的温升也加大,对模型刚度的影响不可忽视[4]。
因此本节将把热载荷与切削力相结合综合分析主轴箱结构的刚度,再次对上述模型进行分析,结果见表3。
通过热刚度分析可以看出,分析结果与上述静刚度分析结果相同,因此在以下的分析优化中主要以提高径向刚度为主,而在优化过程中只考虑结构静刚度的影响。
表3 主轴箱刚度加载方向载荷值F/N最大变形位置位移/mmZ轴方向9000主轴箱前端0.220Y轴方向1029主轴箱前端0.1952 主轴箱的结构优化设计优化前把主轴箱尺寸变量设定为设计变量,通过更改设计变量来达到改变几何形状的目的,实现参数化、智能化,为主轴箱的动态优化提供条件。
利用加强筋单元应变能的全局灵敏度,观察各参数对目标函数的影响因子,给出主轴箱加强筋的最优化位置及尺寸,应用设计变量的单元应变能灵敏度得到结构的布局优化设计模型。
在主轴箱三维建模时已将筋厚、壁厚、筋间距,筋孔布置及大小等相关尺寸进行了参数化设计[5],再将这些参数设为优化的设计变量,有限元分析中的位移和应力等设为设计约束,将模型质量设为目标函数,优化就是通过改变设计变量的数值来实现的。
目标函数是要尽量减小的数值,它必须是设计变量的函数,也就是说,改变设计变量的数值将改变目标函数的数值。
然后进行优化,提取结果并赋值。
尺寸变量优化收敛过程如图2所示,优化后的主轴箱应力、位移图如图3所示。
从分析过程可知,厚度尺寸增加时,应力和位移随之下降,但厚度增大到一定值时,应力也会增加,因此不能单纯地增加或减少厚度值,否则只能顾此失彼,既不能降低成本,也不能提高刚度。
根据给定的设计变量的变化范围观察其对应力、位移的影响,缩小影响不大的设计变量范围,节省优化图2 尺寸变量(左B3、B1)优化收敛过程图图3 优化后主轴箱应力、位移图时间,尽量使用靠近最小厚度值的优化方向或改变孔的大小,这样既可降低应力和变形,又不至于过大增加模型质量。
主轴箱优化改进后的分析数据见表4。
表4 优化后的分析结果与原设计方案对比最大位移/m Z向位移/m Y向位移/m应力/Pa质量/kg 模型31.94E-51.86E-55.57E-61.75E+74.54E-2优化结果1.53E-51.47E-55.09E-51.67E+74.42E-2优化前后差值0.41E-50.39E-50.48E-50.08E+70.12E-23 结束语在整个分析过程中,有限元方法及结构优化的应用,缩短了产品的设计周期,提高了分析精度和设计质量,避免了产品设计的盲目性,保证了材料的最大利用率,减少了产品设计中不必要的浪费,提高了产品性能,为企业提供了选择依据,避免使用昂贵的物理实验,增强了企业的竞争力。
有限元优化方法还不能完全实现智能化,主要原因是模型相对复杂,设计变量较多,尤其是在非对称模型中有些尺寸还不能进行参数化,必须在产品设计时考虑尺寸的参数化设计,给工作带来了不便。
另一方面,硬件、软件要求较高,计算时间长,过多的设计变量会导致模型干涉,使优化失败。
因此,优化过程还需进一步研究,使其更加方便准确。
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