基于ANSYS的CK6132数控车床主轴的动静态特性分析研究

摘要

当今有限元法已成为在工程分析中获得广泛应用的数值计算方法。随着计算机技术的飞速发展，机械领域已广泛应用计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)和计算机辅助工程(CAE)。CAE的核心是计算分析，有限元法则是计算分析的重要手段之一。因此，将有限元方法应用于机床设计中，将有助于提高机床的设计质量和性能。本文在理性认知ANSYS和它在机床设计中的应用方面作了一些探索。 本文阐述了数控车床的主传动设计，阐述了主传动系统的参数(动力参数和运动参数。动力参数是指主运动驱动电机的功率，运动参数是指主运动的变速范围。)的确定方法；阐述了数控车床分级变速箱公比的选取原则；阐述了数控车床主轴的驱动和控制方式——直流驱动系统、交流驱动系统和通用变频调速系统。通过对CK6132数控车床主传动系统的分析，得知主轴电动机功率偏小，车床转速在380～950r/min范围内功率不足(相当于此时电机功率最低只有3×380/950=1.2kW)。 在用ANSYs对CK6132数控车床主轴进行应力分析时，主轴承受弯矩、转矩和拉压载荷的组合，属于组合变形。当用三维模型，solid92单元进行ANSYS分析时，很难做到转矩和力载荷同时加在分析模型上，为此，将力载荷和转矩载荷分两个载荷步施加在分析模型上进行求解，然后通过载荷工况(Load Case)对CK6132主轴力载荷步和转矩载荷步求和，得到主轴受弯、扭、压的组合载荷下的Von Mises应力，较好地解决了结构组合载荷的加载问题。 在机床设计时，都要对主轴的刚度进行验算，传统的刚度计算方法是将阶梯主轴简化成外伸梁，利用材料力学梁的近似微分方程进行计算。用有限元法分析计算主轴组件刚度是一种有效的方法，本文用软件ANSYS对CK6132数控车床主轴组件进行了刚度(弯曲刚度、扭转刚度)计算和切削稳定性判别，根据不出现切削自激振动的条件判定，CK6132数控车床的切削稳定性较差。虽然多数机床可以用弯曲刚度作为衡量主轴组件刚度的指标，但钻床主轴的刚度指标是扭转刚度，所以本文也探索了扭转刚度的ANSYS分析方法。 本文阐述了ANSYS疲劳分析的原理和方法，对CK6132主轴进行了疲劳分析。主轴材料采用45钢，疲劳限σ<,-1>=200Mpa，在主轴的第一工况和第二工况的静应力分析完后，分别对危险点，进行疲劳分析，得到它们的循环交变应力分别为：0.21024E+08Pa和0.11554E+08Pa，均小于σ<,-1>，所以CK6132主轴是根据无限寿命准则进行设计的，主轴的循环交变应力低于疲劳极限，主轴的疲劳寿命在理论上是无限的。由于机床工作时既不可避免地要产生受迫振动，又可能产生自激振动，因此所设计的主轴组件应该对这两类性质不同的振动都具有良好的抵抗能力，满足预定的加工精度和生产率的要求。为了在设计主轴组件时可以预测主轴组件的动力特性。本文利用ANSYS对CK6132数控车床的主轴组件进行了模态分析，得到以下结论：CK6132数控车床的主轴组件的横向振动的最小固有频率为315．68Hz;主轴的固有频率与主轴的质量分布有关，当主轴上无工件时的固有频率比主轴上夹持工件时高；提高主轴的支承刚度，可以提高主轴的固有频率；车床在加工过程中使用尾座支撑工件，可显著提高主轴组件的固有频率。还对CK6132主轴组件横向振动的谐振响应分析方法作了一定探索。 在理论方面阐述了弹性力学基本方程和基于弹性力学最小位能原理形成有限元求解方程的一般原理，阐述了ANSYS疲劳分析的原理，阐释了ANSYS模态提取方法和谐响应分析方法，所有这些对深入认知ANSYS的原理和在机床设计中正确应用ANSYS具有普遍的指导意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1课题来源和意义

1.1.1有限元方法的发展

1.1.2数控机床的发展

1.1.3课题的实用意义

1.2国内外机床动静态特性研究现状综述

1.3主要研究内容

1.4 CK6132数控车床简介

2数控车床的主传动设计

2.1机床主传动变速系统的参数

2.1.1机床主传动功率

2.1.2 CK6132车床的主传动功率

2.1.3车床主轴运动参数

2.2主传动变速系统的设计

2.2.1数控车床分级变速箱的设计

2.2.2主电机恒功率调速范围Rdp及额定功率Pd的选定

2.3数控车床主轴的驱动

2.3.1直流主轴驱动

2.3.2交流主轴驱动

2.3.3国产经济型数控机床广泛采用通用变频器和普通异步电动机(或变频调速电动机)来驱动机床主轴

2.4 CK6132数控车床主传动分析

2.4.1主传动分析

2.4.2结论

2.5本章小结

3主轴组件

3.1对主轴组件的基本要求

3.1.1旋转精度

3.1.2静刚度

3.1.3抗振性

3.1.4热变形

3.1.5耐磨性

3.2车床主轴常用滚动轴承

3.2.1轴承选型

3.2.2轴承精度

3.2.3轴承的刚度

3.2.4 CK6132主轴轴承刚度计算

3.3主轴的结构设计

3.3.1主轴直径的选择

3.3.2主轴材料及热处理

3.3.3 CK6132的主轴结构

3.4本章小结

4弹性力学问题有限元分析的一般原理

4.1弹性力学的基本方程

4.1.1平衡方程

4.1.2几何方程——应变-位移关系

4.1.3物理方程——应力-应变关系

4.1.4力的边界条件

4.1.5几何边界条件

4.2弹性力学三维问题的有限元格式

4.2.1单元位移模式及插值函数的构造

4.2.2应变矩阵

4.2.3用最小位能原理建立有限元方程

4.3动力学问题的有限元法

4.4本章小结

5基于ANSYS的CK6132主轴的静力分析

5.1主轴静力分析概述

5.1.1 ANSYS线性静力分析的基本步骤

5.1.2机床主轴组件弯曲刚度

5.1.3 CK6132主轴的典型工况

5.2 CK6132主轴静力分析

5.2.1 CK6132主轴ANSYS分析的一般过程

5.2.2 CK6132主轴的的静力分析

5.2.3 CK6132主轴扭转刚度分析

5.2.4 CK6132主轴的疲劳分析

5.2.5 CK6132主轴刚度分析

5.3本章小结

6基于ANSYS的CK6132主轴的动力特性分析

6.1主轴的模态分析

6.1.1 ANSYS的模态分析限制和假设

6.1.2 ANSYS模态提取方法

6.1.3 QR阻尼方法(QR damped Method)介绍

6.1.4 CK6132数控车床主轴组件的模态分析

6.2 CK6132主轴横向振动的谐振响应分析

6.2.1 ANSYS谐响应分析简述

6.2.2 ANSYS谐响应分析的假设和限制

6.2.3 ANSYS谐响应分析的描述

6.2.4 ANSYS谐响应分析方法

6.2.5 CK6132主轴组件横向振动的谐响应分析

6.3本章小结

7结论

7.1 CK6132数控车床主传动

7.2主轴的静态性能

7.3主轴的动态性能

参考文献

致谢

附录：