数控机床主轴的有限元分析
摘 要数控机床主轴系统静态特性对机床的加工性能的影响是极为重要的，因此，在机床设计中机床主轴的静态性能分析占据重要地位。运用有限元分析软件，对机床主轴进行静态分析，找出设计中的不足之处，以此为依据，提高主轴设计水平，缩短设计周期，降低设计成本。本论文主要是以主轴静态分析、提高加工性能为研究目标，采用有限元分析软件ANSYS对主轴系统进行静态分析。以下是研究成果将主轴和轴承的结合面视为弹簧-阻尼连接，正确合理计算载荷、轴承刚度以及确定了主轴的约束条件。选择合适的主轴轴承的类型，并且对轴承刚度进行计算。建立精确的主轴模型，合理的对主轴模型进行简化，运用有限元分析软件ANSYS进行有限元分析。并且对得到的结果进行主轴安全校核。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究的目的及意义 1
1.2国内外的发展现状 1
1.2.1有限元发展的现状及应用 1
1.3本论文的研究内容 2
第二章 轴承刚度分析 4
2.1轴承选择 4
2.1.1轴承介绍 4
2.1.2轴承的精度 5
2.1.3轴承间隙与调整 5
2.1.4轴承的选型型号及布局 5
2.2轴承刚度的理论计算 6
2.3工作状态下轴承刚度计算 7
2.3.1主轴受力分析 7
2.4轴承刚度计算 8
2.4.1轴承预紧力的确定 8
2.4.2轴承初始刚度确定 9
第三章 主轴模型的建立 10
3.1有限元基本假设 10
3.2主轴模型的建立与简化 10
3.3主轴WORKBENCH分析一般过程建立模型 11
第四章 主轴静态与模态分析 13
4.1 WORKBENCH分析前处理 13
4.2WORKBENCH分析后处理 16
4.3主轴的模态分析 17
第五章 主轴安全校核 21
5.1主轴静态性能要求 21
5.2主轴系统静态性能分析 21
5.3主轴强度校核 21
结束语 23
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致 谢 24
参考文献 25
第一章 绪论
1.1课题研究的目的及意义
主轴是机床的重要组成部件，机床的切削过程直接参与其中，对于加工精度、表面精度以及生产的效率影响极大。对现代加工而言，加工设备的要求也是要求越来越高，这就要求主轴具有广泛的转速范围、相对较小的振动和变形，同时为了有良好的加工环境，还要要求低噪音。为了加工产品的良好性能，要求主轴的性能要良好，这就要求主轴具有良好的静、动态性能。
近年来，随着数控技术的迅猛发展，零部件加工业朝着高速、高精和高刚度的方向行进着，这对主轴静动态特性要求极高，因此对主轴的静动态特性的分析显得尤为重要，同时为了便于控制，也要求参数化设置。为了便于使用，更是强调要求人性化设计的理念。
对于目前而言，国内机床设计多是工程师依靠经验进行设计，所以机床设计过程中的结构校核计算，大多根据强度理论进行计算分析，而且会以实验和测试的方式进行校核，也是具有科学的依据。但是很多时候由于在复杂机床结构设计计算时，会有大量的简化和等效的过程，这导致计算模型不够准确，计算结果和实际有着不少的偏差。所以这就需要有限元软件进行辅助计算分析，并以此辅助设计分析，提高计算精度，提高设计效率，减少计算时间，减少设计验算的时间和资金成本投入。
本课题研究的目的是：运用有限元法分析的方法，对机床主轴进行静力学分析，分析找出设计的不足以及薄弱环节，以此为依据对设计进行优化，从而提高主轴的静态性能。
1.2国内外的发展现状
1.2.1有限元发展的现状及应用
随着计算机技术的普及和计算机运算速度的不断提高，有限元分析在设计、分析中扮演着重要的角色，可以有效的解决分析设计的问题。目前，大量工程问题的解决，都是通过有限元分析计算解决，
尤其在机械设计制造、土木建筑、材料加工、电子电器、国防军工、科学院、航空航天、铁道、汽车、石化、能源、船舶就等领域，这大大提高了由于经验计算不精确的设计弊端，设计水平大大提升，以下几个方面就有体现：
增加产品和工程的可靠性；
对新产品开发设计，可以在设计阶段就发现潜在问题，此时就可以采用优化方案，避免经验不足从而导致损失，与此同时还可以控制开发成本，尽快推动产品进入市场，避免错失良机；
减少试验次数，减少试验经费；
上世纪60年代初就开始投入大量的人力物力进行有限元分析程序的开发，直至上世纪七十年代初才诞生真正的CAE软件。近15年来，CAE软件逐步朝着商品化发展，开发商为了更好的适应时代发展需要，在大力推销的同时，对软件进行人性化设计，满足客户需求，更为实用的解决客户的实际问题，也为科技发展以及工程应用做出重要贡献。就目前市场而言，主要流行的CAE分析软件主要有NASTRAN、ADINA、ABAQUS、MARC、MAGSOFT、COSMOS等。
兰州交通大学的张鹏、张红兵、吴丹，通过采用传统计算进行减速器主轴强度分析和与通过有限元分析软件ANSYS对减速器主轴强度分析的对比，得出结论，传统计算和有限元分析得出的结果基本一致，且通过对比分析可知，有限元分析技术不仅可以减轻工作量还可以提高分析精度。林利红,陈小安,张良,杨为将主轴轴承的弹性支撑用多点约束的方法进行模拟，建立有限元模型，准确反映主轴与其部件的装配关系。根据建立的有限元模型，进行有限元分析，结合实验模态数据，运用振型叠加的法计算得到主轴的瞬态响应的位移响应图，从而找出结构改进方向，从而为进一步提高主轴精度和速度提供理论依据。中北大学的贾永龙通过ANSYS软件对主轴进行有限元分析得到主轴在承受载荷下的位移云图和应力云图，通过对降机床主轴结构单元应力的优化设计，为主轴轻量化设计提供新的研究思路和方法。广西大学许枭通过利用有限元软件ANSYS建立参数化有限元模型，用ANSYS自带优化工具对主轴部件结构进行优化设计，对主轴系统优化后，使其具有更好的静、动态特性，使主轴结构更加安全可靠，提高机床的加工性能。洪亚军等对ANSYS实例的介绍中更为详尽的描述了该软件在分析以及优化中的作用，不仅仅是方便了研究，简化计算，更重要的是提供了不一样的研究思路，缩短了研究计算的时间，还提高了计算精度，对研究做出了重要的贡献。同时也对结构的优化和材料的分布提供建设性的意见，避免不必要的材料浪费。
1.3本论文的研究内容
本论文研究的重点是主轴的有限元分析的静力学分析，主要内容有以下几个方面：
了解数控机床主轴的结构，完成对静力学有限元分析的学习和分析，完成数控机床主轴的结构分析；
数控机床主轴轴承的选用以及轴承刚度的计算，为后续主轴轴承的刚度计算提供理论数据。
确定数控机床主轴的模型，进行必要的简化，同时定义材料特性分析载荷类型以及约束条件，对模型进行修改，简历较为准确的有限元模型；
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题研究的目的及意义 1
1.2国内外的发展现状 1
1.2.1有限元发展的现状及应用 1
1.3本论文的研究内容 2
第二章 轴承刚度分析 4
2.1轴承选择 4
2.1.1轴承介绍 4
2.1.2轴承的精度 5
2.1.3轴承间隙与调整 5
2.1.4轴承的选型型号及布局 5
2.2轴承刚度的理论计算 6
2.3工作状态下轴承刚度计算 7
2.3.1主轴受力分析 7
2.4轴承刚度计算 8
2.4.1轴承预紧力的确定 8
2.4.2轴承初始刚度确定 9
第三章 主轴模型的建立 10
3.1有限元基本假设 10
3.2主轴模型的建立与简化 10
3.3主轴WORKBENCH分析一般过程建立模型 11
第四章 主轴静态与模态分析 13
4.1 WORKBENCH分析前处理 13
4.2WORKBENCH分析后处理 16
4.3主轴的模态分析 17
第五章 主轴安全校核 21
5.1主轴静态性能要求 21
5.2主轴系统静态性能分析 21
5.3主轴强度校核 21
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第一章 绪论
1.1课题研究的目的及意义
主轴是机床的重要组成部件，机床的切削过程直接参与其中，对于加工精度、表面精度以及生产的效率影响极大。对现代加工而言，加工设备的要求也是要求越来越高，这就要求主轴具有广泛的转速范围、相对较小的振动和变形，同时为了有良好的加工环境，还要要求低噪音。为了加工产品的良好性能，要求主轴的性能要良好，这就要求主轴具有良好的静、动态性能。
近年来，随着数控技术的迅猛发展，零部件加工业朝着高速、高精和高刚度的方向行进着，这对主轴静动态特性要求极高，因此对主轴的静动态特性的分析显得尤为重要，同时为了便于控制，也要求参数化设置。为了便于使用，更是强调要求人性化设计的理念。
对于目前而言，国内机床设计多是工程师依靠经验进行设计，所以机床设计过程中的结构校核计算，大多根据强度理论进行计算分析，而且会以实验和测试的方式进行校核，也是具有科学的依据。但是很多时候由于在复杂机床结构设计计算时，会有大量的简化和等效的过程，这导致计算模型不够准确，计算结果和实际有着不少的偏差。所以这就需要有限元软件进行辅助计算分析，并以此辅助设计分析，提高计算精度，提高设计效率，减少计算时间，减少设计验算的时间和资金成本投入。
本课题研究的目的是：运用有限元法分析的方法，对机床主轴进行静力学分析，分析找出设计的不足以及薄弱环节，以此为依据对设计进行优化，从而提高主轴的静态性能。
1.2国内外的发展现状
1.2.1有限元发展的现状及应用
随着计算机技术的普及和计算机运算速度的不断提高，有限元分析在设计、分析中扮演着重要的角色，可以有效的解决分析设计的问题。目前，大量工程问题的解决，都是通过有限元分析计算解决，
尤其在机械设计制造、土木建筑、材料加工、电子电器、国防军工、科学院、航空航天、铁道、汽车、石化、能源、船舶就等领域，这大大提高了由于经验计算不精确的设计弊端，设计水平大大提升，以下几个方面就有体现：
增加产品和工程的可靠性；
对新产品开发设计，可以在设计阶段就发现潜在问题，此时就可以采用优化方案，避免经验不足从而导致损失，与此同时还可以控制开发成本，尽快推动产品进入市场，避免错失良机；
减少试验次数，减少试验经费；
上世纪60年代初就开始投入大量的人力物力进行有限元分析程序的开发，直至上世纪七十年代初才诞生真正的CAE软件。近15年来，CAE软件逐步朝着商品化发展，开发商为了更好的适应时代发展需要，在大力推销的同时，对软件进行人性化设计，满足客户需求，更为实用的解决客户的实际问题，也为科技发展以及工程应用做出重要贡献。就目前市场而言，主要流行的CAE分析软件主要有NASTRAN、ADINA、ABAQUS、MARC、MAGSOFT、COSMOS等。
兰州交通大学的张鹏、张红兵、吴丹，通过采用传统计算进行减速器主轴强度分析和与通过有限元分析软件ANSYS对减速器主轴强度分析的对比，得出结论，传统计算和有限元分析得出的结果基本一致，且通过对比分析可知，有限元分析技术不仅可以减轻工作量还可以提高分析精度。林利红,陈小安,张良,杨为将主轴轴承的弹性支撑用多点约束的方法进行模拟，建立有限元模型，准确反映主轴与其部件的装配关系。根据建立的有限元模型，进行有限元分析，结合实验模态数据，运用振型叠加的法计算得到主轴的瞬态响应的位移响应图，从而找出结构改进方向，从而为进一步提高主轴精度和速度提供理论依据。中北大学的贾永龙通过ANSYS软件对主轴进行有限元分析得到主轴在承受载荷下的位移云图和应力云图，通过对降机床主轴结构单元应力的优化设计，为主轴轻量化设计提供新的研究思路和方法。广西大学许枭通过利用有限元软件ANSYS建立参数化有限元模型，用ANSYS自带优化工具对主轴部件结构进行优化设计，对主轴系统优化后，使其具有更好的静、动态特性，使主轴结构更加安全可靠，提高机床的加工性能。洪亚军等对ANSYS实例的介绍中更为详尽的描述了该软件在分析以及优化中的作用，不仅仅是方便了研究，简化计算，更重要的是提供了不一样的研究思路，缩短了研究计算的时间，还提高了计算精度，对研究做出了重要的贡献。同时也对结构的优化和材料的分布提供建设性的意见，避免不必要的材料浪费。
1.3本论文的研究内容
本论文研究的重点是主轴的有限元分析的静力学分析，主要内容有以下几个方面：
了解数控机床主轴的结构，完成对静力学有限元分析的学习和分析，完成数控机床主轴的结构分析；
数控机床主轴轴承的选用以及轴承刚度的计算，为后续主轴轴承的刚度计算提供理论数据。
确定数控机床主轴的模型，进行必要的简化，同时定义材料特性分析载荷类型以及约束条件，对模型进行修改，简历较为准确的有限元模型；
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