CN101968824A - 一种高速卧式加工中心主轴箱的有限元分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到了一种高速卧式加工中心主轴箱的有限元分析方法，其在不增加整个分析工作量的前提下，节省了分析时间，提高了有限元分析的精度，更加真实的模拟主轴箱实际受力、受约束情况，并有利于求解接触部位的支反力，更加真实的反应主轴箱的位移、应力情况。主轴箱分析模型包括主轴，刀具，主轴套筒，丝杠，丝杠套筒，滑块和主轴箱。将主轴与刀具作为一个整体进行处理并将其简化为刚性体；主轴通过主轴套筒与主轴箱连接；丝杠通过丝杠套筒与主轴箱连接。该有限元分析方法的特点是：(1)综合考虑了各关键部件在有限元分析中的作用，避免了单一分析的缺点；(2)约束条件设置更加准确，利于有限元分析设置和后续分析工作的进行。

Description

一种高速卧式加工中心主轴箱的有限元分析方法

技术领域

本发明属于机械设计技术领域，涉及到一种高速卧式加工中心主轴箱的有限元分析，主要针对如何处理有限元分析中关键部件的简化和边界条件设置等问题，此方法有利于有限元分析和支反力的求解，并得到准确的结果。

技术背景

高档数控机床是机床制造业的主导产品，是国家制造业保持竞争力、服务于国家安全与利益的关键技术装备，是高精度、大批量、多品种机械生产的基础装备，关系到国家战略地位和国家综合国力水平的提高。高档数控机床的生产力是衡量一个国家综合能力的重要指标，是一个国家制造业的战略制高点，其产量、性能和技术水平是衡量一个国家综合制造实力的重要标志，代表了一个国家的工业现代化水平。

高速卧式加工中心是高档数控机床设备中加工效率最高、加工批量化程度最大，在有色金属和难加工材料零件的生产中应用最广泛的高档数控机床之一。其最大优点是主轴转速高、进给速度快和加速度大。高速卧式加工中心可以组成敏捷柔性生产线，用珩架机器手或机器人等其它方式输送工件。这样组成的全自动生产系统可靠性高、柔性好，真正实现了高性能的全自动化生产，并且投资少、宜采用分步投入方式，是数控机床和自动化生产系统发展的一大主流，是数控机床行业技术水平提升的重要标志之一。

高速卧式加工中心是航空航天、军工、汽车、能源等国家重点行业的关键设备，是国防安全的战略物资，也是“十一五”期间国家重点强调发展的设备类别。我国的航空航天、军工和汽车等关键行业正值设备的更新换代期，高速立、卧式加工中心恰是这些行业所急需的、高效的、关键性的加工设备。

发明内容

本发明要解决的技术问题是如何合理的处理高速卧式加工中心主轴有限元分析中关键部件有限元模型的建立和简化，各部件之间连接问题；另一方面针对主轴箱有限元分析中复杂的边界条件进行处理，以模拟真实的约束。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

1、建立主轴箱有限元模型

该主轴箱的有限元模型包括主轴、刀具、主轴套筒、丝杠、丝杠螺母、滑块和主轴箱；

建立主轴和刀具的简化三维模型，并将主轴和刀具的有限元模型的材料属性设置为刚性体，去除所有的螺栓孔后将主轴、刀具和主轴套筒一起装配到主轴箱上，采用“连接”模式模拟螺栓作用；

建立丝杠、丝杠螺母、滑块简化的三维模型，去掉所有螺栓孔，并对接触面采用“连接”模式模拟螺栓的连接作用将丝杠螺母与主轴箱，滑块与主轴箱进行连接；

由于主轴与主轴套筒，主轴套筒与主轴箱的接触面积较大，无法直接准确计算出作用于主轴箱的力，另一方面考虑到在主轴箱有限元分析中，主轴、刀具和主轴套筒起到传递力和力矩的作用，因此建立主轴、刀具和主轴套筒的有限元模型，并将主轴和刀具的有限元模型材料属性设置为刚性。主轴与主轴套筒，主轴套筒与主轴箱之间均采用螺栓连接，过多的螺栓孔可能导致网格划分失败和加大分析工作量，从而导致错误的分析结果，因此在保证分析精度的前提下去除所有的螺栓孔，并采用“连接”模式进行模拟螺栓的作用，将主轴、刀具和主轴套筒一起装配到主轴箱上。

在主轴箱的有限元分析中，丝杠、丝杠螺母和滑块主要起到支撑作用。利用丝杠可以非常便利的进行约束条件的设置和约束部位支反力的求解，因此建立丝杠、丝杠螺母、滑块的简化三维模型，并赋予相应的材料属性。丝杠螺母与主轴箱，滑块与主轴箱均通过螺栓进行连接，过多的螺栓孔可能导致网格划分失败和加大分析工作量，从而导致错误的分析结果，因此在保证分析精度的前提下去除所有的螺栓孔，并采用“连接”模式进行模拟螺栓的作用。丝杠与丝杠螺母之间通过滚珠进行接触传动的，如果按照实际情况进行建模，必然导致模型过于复杂，以致出现无法进行有限元分析，因此需要对接触面进行“连接”模式进行处理以满足有限元分析的需要。

2、主轴箱约束

主轴箱只能在竖直方向移动，因此对与主轴箱相连的滑块进行位移约束，模拟主轴箱只能沿着竖直方向移动的特性；

针对上端固定、下端悬浮的丝杠约束，利用“固定”约束对上端实现完全约束；利用“圆柱”约束和“单向”约束的组合实现下端悬浮约束，使下端只能沿着轴向方向向下运动。

主轴箱有限元模型的约束主要是通过丝杠和滑块实现。主轴箱后部四个滑块主要是限制主轴箱只能沿竖直方向运动，因此利用位移约束方式对滑块进行设置，竖直方向为自由，其它方向自由度被约束。实际工作中丝杠是上端固定，下端悬浮的状态，丝杠只能进行旋转运动，在竖直方向无法移动，因此有限元模型中利用全约束对上端进行设置；下端只能沿轴向单方向向下运动，通过利用“圆柱”约束和“单向”约束的组合进行约束设置，模拟真实的约束情况。静止状态时主轴箱的重力主要由丝杠承受，因此建立丝杠能够合理的进行受力分析。

本发明具有如下优点：

1、本发明通过对主轴箱的整体结构和性能综合分析，提出一种利用装配体研究高速卧式加工中心主轴箱性能的方法。装配体中综合考虑了各个部件对主轴箱有限元模型性能的影响，并对关键部件进行了建模以完成有限元模型的建立。装配体有限元模型分析减少了中间环节带来的误差，能够更准确模拟真实情况。

2、本发明通过分析刀具和主轴在有限元分析中的作用，建立相应的有限元模型，并将其定义为刚性体，减少了中间力传递的复杂计算过程，能够更真实的模拟接触面的力传递。

3、本发明利用“连接”模式模拟螺栓连接，能更有利于主轴箱整体有限元模型简化和力传递。

4、本发明中通过增加丝杠螺母、丝杠和滑块，使得主轴箱的约束更加符合实际情况，也为下一步支反力的求解提供了便利。利用组合约束对丝杠两端进行设置，合理的模拟了丝杠两端的约束特征，上端固定，下端悬浮(单向移动)的状态，另一方面为支反力的求解提供了很大的便利。

附图说明

图1a是主轴箱装配的前视图。

图1b是主轴箱装配后视图。

图1c是主轴箱丝杠螺母处的局部视图。

图中：1.主轴2.刀具3.主轴套筒4.丝杠5.丝杠螺母6.滑块7.主轴箱

A.丝杠上端B.丝杠下端

具体实施方式

下面将结合技术方案和附图对本发明进行详细说明：

该主轴箱的有限元模型由主轴1、刀具2、主轴套筒3、丝杠4、丝杠螺母5、滑块6和主轴箱7组成。

主轴箱7有限元分析过程中去除所有的螺栓孔和小尺寸倒角、圆角和修饰性特征，这样能够最大程度简化模型，有利于模型网格划分，节省有限元分析时间，减少应力集中现象，得到更加真实的应力、位移云图。

如图1a所示，主轴1和刀具2在有限元分析中只起到传递力和力矩的作用，另一方面主轴1和刀具2的刚性远远大于主轴箱7的刚性，因此在有限元模型中将主轴1和刀具2定义为刚性体，并将主轴1和刀具2在三维建模过程中视为一个整体。主轴1与主轴箱7是通过主轴套筒3进行连接的，相互之间接触面积较大，无法通过支反力求解来准确的计算相互作用力，通过建立装配体模型很好的解决了这个难题。

如图1a所示，主轴1与主轴套筒3，主轴套筒3与主轴箱7，丝杠螺母5与主轴箱7，滑块6与主轴箱7之间都是通过螺栓进行固定的，但在三维建模过程中已经省略了所有的螺栓特征，可以通过利用“连接”类型的接触面代替螺栓连接进行设置。丝杠4与丝杠螺母5之间通过滚珠进行接触传动的，如果按照实际情况进行建模，必然导致模型过于复杂，以致出现无法进行有限元分析的问题，因此需要对接触面进行“连接”模式进行模拟处理以满足有限元分析的需要。“连接”类型能够充分模拟真实的连接面的设置并能够如实的传递力和力矩，从而减少了单独计算带来的数据误差；另一方面也减少了网格划分的难度，提高了有限元分析的可靠性。

边界条件的设置是有限元分析中一个非常重要的问题，在有限元分析中起约束作用的是丝杠4和滑块6。滑块6只能沿着竖直方向运动，因此利用位移约束方式约束除竖直方向外其它方向的自由度。丝杠4采用的是上端A固定、下端B悬浮的约束方式。在有限元中利用全约束对上端A进行设置，虽然在实际工作状态中丝杆4可以旋转，但在有限元静力分析中关注静止状态，因此利用全约束对上端A进行约束是合理的。下端B只能单向伸长即只能沿着丝杠4向下运动，通过利用约束组合来实现，“圆柱”约束可以约束径向和周向的自由度，“单向”约束可以约束丝杠4轴向的自由度，实现丝杠4下端B的悬浮设置。通过组合约束完成对丝杠4的约束设置，至此有限元模型的边界条件完成。

边界条件设置完成后便可以对装配体模型进行网格划分并进行有限元分析，并获得最终的有限元分析结果。

Claims (1)

1.一种高速卧式加工中心主轴箱的有限元分析方法，其特征在于：

(一)建立主轴箱有限元模型：该主轴箱有限元模型包括主轴(1)、刀具(2)、主轴套筒(3)、丝杠(4)、丝杠螺母(5)、滑块(6)和主轴箱(7)；

建立主轴(1)和刀具(2)的简化三维模型，将主轴(1)和刀具(2)的有限元模型材料属性设置为刚性体。去除所有的螺栓孔后将主轴(1)、刀具(2)和主轴套筒(3)一起装配到主轴箱(7)上，采用“连接”模式模拟螺栓作用；

建立丝杠(4)、丝杠螺母(5)、滑块(6)简化三维模型，去掉所有螺栓孔，并赋予不同的材料属性。采用“连接”模式模拟螺栓的连接作用将丝杠螺母(5)与主轴箱(7)，滑块(6)与主轴箱(7)，丝杠螺母(5)与主轴箱(7)进行连接；

(二)主轴箱的约束：

主轴箱(7)只能竖直方向移动，因此对与主轴箱(7)相连的滑块(6)进行位移约束，模拟主轴箱(7)只能沿着竖直方向移动的特性；

针对上端(A)固定、下端(B)悬浮的丝杠(4)，利用“固定”约束对上端(A)实现完全约束；利用“圆柱”约束和“单向”约束的组合实现下端(B)悬浮设置，使下端只能沿着轴向方向向下运动。

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