ansys机床主轴的优化设计与有限元分析(附件)
摘 要摘 要随着经济的迅速发展和科技的进步，人们不断要求产品的生产能耗越低、产出越高，所以以前的加工技术已经满足不了人们对产品高性能的要求，这就使得高速加工成为一个比较有前途的技术。高速加工顾名思义，其通过提高切削的速度，从而来提高加工精度、加工质量、生产率以及把成本降下来。而在高速加工技术当中，电主轴是其核心部件。电主轴把电机和主轴进行结合，可以使得能量传递效率更大。相比较于传统的加工方式，电主轴没有键槽、螺纹等，所以可以说是实现了机床零传动的特点。但是，主轴中加入电机必然使主轴的质量增加，所以，对电主轴进行动静态特性分析，进而优化结构具有重要的意义。本文利用有限元分析软件ANSYS，对电主轴进行了较为深入的研究，包括：对电主轴结构特点进行分析，研究动静特性的影响，完成结构设计。得到轴承刚度的简单算法，并对轴承静刚度进行计算；然后研究轴承静刚度受到不同的预紧力时的变化情况。用ANSYS软件对电主轴进行静态分析，得到主轴的静刚度，然后改变不同预紧力， 研究主轴静刚度的变化情况。用ANSYS软件对电主轴动态性能进行分析。主要研究了电主轴的固有频率、振型；研究主轴固有频率受到不同预紧力的变化情况；最后分析了主轴前端、转子部位的最大动态位移量。关键词：高速加工；高速电主轴；有限元分析；动静态特性；ANSYS软件目 录
第一章 绪论 1
1.1 论文背景 1
1.2 论文研究的目的和意义 2
1.3 国内外研究现状和存在问题 2
第二章 结构设计 4
2.1 电主轴的结构设计 4
2.1.1 主轴电机 4
2.1.2 主轴轴承 5
2.1.3 油—气润滑系统 6
2.1.4 冷却系统 7
2.2 电主轴的无键联结 8
2.2.1 为何采用无键联结 8
2.2.2 零件的过盈量的计算 9
2.3 主要结构参数设计与分析 10
2.3.1 主轴的跨距设计 10
2.3.2 主轴的过盈设计 11
2.4 轴承刚度 12
2.4.1 轴承轴向预紧和位移 12
2.4.2 轴承径向刚度 13
第三
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br /> 2.2.1 为何采用无键联结 8
2.2.2 零件的过盈量的计算 9
2.3 主要结构参数设计与分析 10
2.3.1 主轴的跨距设计 10
2.3.2 主轴的过盈设计 11
2.4 轴承刚度 12
2.4.1 轴承轴向预紧和位移 12
2.4.2 轴承径向刚度 13
第三章 静态特性的有限元分析 15
3.1 ANSYS在结构分析上的应用 15
3.2 ANSYS线性分析基本步骤 15
3.3 主轴单元静态特性分析的必要性 15
3.4 切削力的计算 15
3.5 高速电主轴静力特性的有限元分析 16
3.5.1 构建几何模型 16
3.5.2 主轴单元类型的选择和网格的划分 17
3.6 电主轴的静态变形 18
3.6.1 静刚度的计算 18
3.6.2 不同预紧力对主轴的影响 19
第四章 高速电主轴动态特性分析 21
4.1 电主轴的动态特性 21
4.2 电主轴的模态分析 21
4.2.1 固有频率和振型 21
4.2.2 临界转速 24
4.2.3 预紧力对固有频率的影响 25
4.3 电主轴的谐响应分析 26
4.4 电主轴单元动态性能提高的措施 29
结论与展望 30
(1) 结论 30
(2) 展望 30
致谢 32
参考文献 33
第一章 绪论
1.1论文背景
随着高速数控机床的迅速发展，电主轴技术也不断的取得进步，在模具加工、航空航天领域应有十分广泛。一些应用领域见表11。机械制造是国民经济之母，而高速电主轴的飞速发展可以极大的提高产品生产效率，从而提升国民经济。切削速度高、进给速度高、加工精度高的“三高”加工技术使得制造业达到了新的发展高度[1]。高速加工不同于传统加工的原因是其采用了全新的加工工艺，在编程、切削参数上都有所区别于传统加工。其工作性能对机床的稳定性、加工精度有着直接的影响，其能够提高工件表面光洁度和制造效率、减小热变形。实现高速加工的关键技术主要有：高速切削技术，高速加工工艺和高速加工测试方法等[2]。机床中的最重要的部件就是主轴。传统意义上而言，机床主轴上的传动装置包括皮带、齿轮等。而电主轴又被称为内置式电机主轴，高速电机被放置在机床主轴的内部，利用交流变频控制系统使主轴获得工作所需要的扭矩、速度。
表11 高速加工技术特点及应用领域
技术特点
应用实例
应用范围
高技术切除率和进给速度
航空航天制造业、模具制造
普通钢材料和铸铁材料
单位切削力小
薄壁零件、家用电器中的薄板类零件
加工刚性较差的零件以及薄壁薄板类零件
表面粗糙度小，以加工表面质量高
光学仪器、精密机械加工工业
紧密零件和特种紧密零件的加工
产生切削热小
紧密机械加工
不耐热工件的加工
高强迫振荡频率
光学和紧密制造工业
复杂和刚性差的工件
国外较早就开始了高速主轴的研究工作，到目前已进入到应用阶段。而我国从20世纪中后期才开始自行研究高速机床，其中比较有名的属于洛阳轴承所所研究的系列主轴，其在20年代开始研制磨削用电主轴，在20世纪末曾引进过GMN公司的技术。近来，其主要开发车床和高速铣床电主轴。迄今其已发展了100多个品种的电主轴，且有少量出口。从目前发展状况来看，我国高速主轴的各个性能指标和国外相比任然有不小的差距，总体上来说仍在起步阶段，还没有形成批量生产，主要技术、设备和零部件还依靠引进为主。 1.2 论文研究的目的和意义
数控技术后的高速加工的主要特征有切削速度快、进给速度高、加工精度高，这是制造技术第二次革命性的飞跃的一个高新技术[3]。其不但可以极大的提高生产率，保持稳定性，而且可以提高工件的精度。对于难加工、硬度比较低的材料，高速加工是切削这些零件的高效手段。制造技术数控机床里面的重要部件之一就是主轴，其直接参与切削加工，主轴的不同性能会影响到机床的表面质量和加工精度。为了生产出高质量的产品，主轴部件要求有较广泛的转速、精度高、刚度好、变形小、振动和噪声小，并且有良好的抗受迫振动和自激振动的性能。在高速机加工过程中，机床需要完成粗加工和精加工，所以主轴单元要求有较好的静刚度。此外，机床的切削能力以及加工工件的质量在很大程度上是取决于主轴的动态特性。如果在切削过程出现较大振动，可能会使得刀具出现损坏，影响到刀具的精度，这会增加轴承上的载荷，并且会使轴承的寿命和精度有所降低；影响轴承支撑的转子系统的动力学的性能，从而影响工件的精度和质量[4]。因此，对于高速电主轴的设计，研究其静动态性能是必须的。
1.3 国内外研究现状和存在问题
在国外，电主轴最早是应用于磨穿的，到了20世纪中后期，随着切削技术的不段发展，电主轴技术逐渐被应用于高档数控机床。目前世界上比较著名的电主轴制造商有瑞士的Fischer、LBAG，美国的INGERSOLL，日本的OKUMA，德国的HOFER、
第一章 绪论 1
1.1 论文背景 1
1.2 论文研究的目的和意义 2
1.3 国内外研究现状和存在问题 2
第二章 结构设计 4
2.1 电主轴的结构设计 4
2.1.1 主轴电机 4
2.1.2 主轴轴承 5
2.1.3 油—气润滑系统 6
2.1.4 冷却系统 7
2.2 电主轴的无键联结 8
2.2.1 为何采用无键联结 8
2.2.2 零件的过盈量的计算 9
2.3 主要结构参数设计与分析 10
2.3.1 主轴的跨距设计 10
2.3.2 主轴的过盈设计 11
2.4 轴承刚度 12
2.4.1 轴承轴向预紧和位移 12
2.4.2 轴承径向刚度 13
第三
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
br /> 2.2.1 为何采用无键联结 8
2.2.2 零件的过盈量的计算 9
2.3 主要结构参数设计与分析 10
2.3.1 主轴的跨距设计 10
2.3.2 主轴的过盈设计 11
2.4 轴承刚度 12
2.4.1 轴承轴向预紧和位移 12
2.4.2 轴承径向刚度 13
第三章 静态特性的有限元分析 15
3.1 ANSYS在结构分析上的应用 15
3.2 ANSYS线性分析基本步骤 15
3.3 主轴单元静态特性分析的必要性 15
3.4 切削力的计算 15
3.5 高速电主轴静力特性的有限元分析 16
3.5.1 构建几何模型 16
3.5.2 主轴单元类型的选择和网格的划分 17
3.6 电主轴的静态变形 18
3.6.1 静刚度的计算 18
3.6.2 不同预紧力对主轴的影响 19
第四章 高速电主轴动态特性分析 21
4.1 电主轴的动态特性 21
4.2 电主轴的模态分析 21
4.2.1 固有频率和振型 21
4.2.2 临界转速 24
4.2.3 预紧力对固有频率的影响 25
4.3 电主轴的谐响应分析 26
4.4 电主轴单元动态性能提高的措施 29
结论与展望 30
(1) 结论 30
(2) 展望 30
致谢 32
参考文献 33
第一章 绪论
1.1论文背景
随着高速数控机床的迅速发展，电主轴技术也不断的取得进步，在模具加工、航空航天领域应有十分广泛。一些应用领域见表11。机械制造是国民经济之母，而高速电主轴的飞速发展可以极大的提高产品生产效率，从而提升国民经济。切削速度高、进给速度高、加工精度高的“三高”加工技术使得制造业达到了新的发展高度[1]。高速加工不同于传统加工的原因是其采用了全新的加工工艺，在编程、切削参数上都有所区别于传统加工。其工作性能对机床的稳定性、加工精度有着直接的影响，其能够提高工件表面光洁度和制造效率、减小热变形。实现高速加工的关键技术主要有：高速切削技术，高速加工工艺和高速加工测试方法等[2]。机床中的最重要的部件就是主轴。传统意义上而言，机床主轴上的传动装置包括皮带、齿轮等。而电主轴又被称为内置式电机主轴，高速电机被放置在机床主轴的内部，利用交流变频控制系统使主轴获得工作所需要的扭矩、速度。
表11 高速加工技术特点及应用领域
技术特点
应用实例
应用范围
高技术切除率和进给速度
航空航天制造业、模具制造
普通钢材料和铸铁材料
单位切削力小
薄壁零件、家用电器中的薄板类零件
加工刚性较差的零件以及薄壁薄板类零件
表面粗糙度小，以加工表面质量高
光学仪器、精密机械加工工业
紧密零件和特种紧密零件的加工
产生切削热小
紧密机械加工
不耐热工件的加工
高强迫振荡频率
光学和紧密制造工业
复杂和刚性差的工件
国外较早就开始了高速主轴的研究工作，到目前已进入到应用阶段。而我国从20世纪中后期才开始自行研究高速机床，其中比较有名的属于洛阳轴承所所研究的系列主轴，其在20年代开始研制磨削用电主轴，在20世纪末曾引进过GMN公司的技术。近来，其主要开发车床和高速铣床电主轴。迄今其已发展了100多个品种的电主轴，且有少量出口。从目前发展状况来看，我国高速主轴的各个性能指标和国外相比任然有不小的差距，总体上来说仍在起步阶段，还没有形成批量生产，主要技术、设备和零部件还依靠引进为主。 1.2 论文研究的目的和意义
数控技术后的高速加工的主要特征有切削速度快、进给速度高、加工精度高，这是制造技术第二次革命性的飞跃的一个高新技术[3]。其不但可以极大的提高生产率，保持稳定性，而且可以提高工件的精度。对于难加工、硬度比较低的材料，高速加工是切削这些零件的高效手段。制造技术数控机床里面的重要部件之一就是主轴，其直接参与切削加工，主轴的不同性能会影响到机床的表面质量和加工精度。为了生产出高质量的产品，主轴部件要求有较广泛的转速、精度高、刚度好、变形小、振动和噪声小，并且有良好的抗受迫振动和自激振动的性能。在高速机加工过程中，机床需要完成粗加工和精加工，所以主轴单元要求有较好的静刚度。此外，机床的切削能力以及加工工件的质量在很大程度上是取决于主轴的动态特性。如果在切削过程出现较大振动，可能会使得刀具出现损坏，影响到刀具的精度，这会增加轴承上的载荷，并且会使轴承的寿命和精度有所降低；影响轴承支撑的转子系统的动力学的性能，从而影响工件的精度和质量[4]。因此，对于高速电主轴的设计，研究其静动态性能是必须的。
1.3 国内外研究现状和存在问题
在国外，电主轴最早是应用于磨穿的，到了20世纪中后期，随着切削技术的不段发展，电主轴技术逐渐被应用于高档数控机床。目前世界上比较著名的电主轴制造商有瑞士的Fischer、LBAG，美国的INGERSOLL，日本的OKUMA，德国的HOFER、
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