基于ANSYS的数控机床高速主轴动态分析.pdf

2012年3月三门峡职业技术学院学报Mar.,2012
第11卷第1期JournalofSanmenxiaPolytechnicVol.11,No.1

技术与应用

基于ANSYS的数控机床高速主轴动态分析

王素粉

（三门峡职业技术学院机电工程系，河南三门峡472000）

摘要：主轴对于数控机床来说是很重要的部件，直接影响到机床的加工质量，本文基于ANSYS软件，直接在软
件中建立了XK714数控铣床高速轴的三维有限元模型。并利用软件对其进行了动态分析，通过分析，得出了主轴的
前六界固有频率、振型，并通过计算得其临界转速。通过分析结果可以得出主轴的安全性，为主轴的进一步动力学分
析打下理论基础。
关键词：数控机床；主轴；有限元分析；振型
中图分类号：TG502.35文献标识码：B文章编号：1671-9123（2012）01-0116-02
收稿日期：2011-04-25
作者简介：王素粉（1981-），女，河南周口人，三门峡职业技术学院机电工程系教师。

引言在建模的时候要看成一个整体来处理。
因为在有限元分析时零件的模型中每一个单
对于现代加工行业来说，加工质量是最重要，
元都具有它本身特有的属性及单元类型在网格划
的，特别是一些比较重要的设备，比如：汽车、机床，
分之前必须进行单元属性的设定要把所用材料的
的传动齿轮、轴承等，加工质量要求也非常高。因，
属性确定好进行动态分析的时候必须设定好材料
此，引入了先进制造技术，用数控机床来加工这些，
的杨氏模量本文研究的数控铣床高速主
比较重要的零部件，数控铣床的应用也越来越广。XK714
轴参数设定为选用单元密度选择是
泛，对于数控铣床来讲，加工精度主要取决于其高：SOLID45，
3弹性模量选择是12泊松比选择是
速轴的传动精度，它的精度直接影响到加工精度。7800kg/m，2.1ePa，
因此，必须对其进行一定的分析来确定其设计是否0.25。
合理，根据分析出来结果可以对其不合理的部分优1.2网格划分及实体生成
化设计，来满足装置加工精度的要求，因此，需要对对网格的划分方法有自由网格划分法和映射
机床的主轴进行动态分析。本文对XK714数控铣网格划分法，对于不规则的多边形来说应选用自由
床高速主轴进行动态分析，并验证了其合理性。划分的方式，对于四边形的面采用映射划分网格
1主轴的有限元模型法，为了确保结果的准确性，本文结合数控铣床的
主轴的横界面的形状，选择了映射网格划分法，根
为了保证数据的准确性及保密性，对主轴进行
据映射划分网格的条件必须是四边形在进行网格
分析建立模型时，本文直接在ANSYS里建立主轴，
划分时候首先要把轴的不规则的图形的界面划分
的模型图。先设置一个截面，选用PLANE42对其进，
成多个小的四边形最后再用映射法进行划分划
行网格划分，最后以轴线为中心线旋转后生成，，
分部分界面结果如图所示本文对主轴共分成
SOLID45实体模型。1，
个单元个节点
1.1定义单元类型和属性16890，20358。
进行网格划分后对其进行实体生成生成后的
本文选用SOLID45进行三维实体结构单元并，
实体如图所示
对其进行网格划分，主轴的轴承为角接触球轴承，2。
在进行简化的时候可以把其看成弹性支承，可以把
其角刚度忽略掉；电机的转子部分、前面和后面的
轴承锁紧套其中编码器的锁紧套部分与轴承轴芯
、图1界面部分网格划分
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基于ANSYS的数控机床高速主轴动态分析

图弹簧的分布
图2主轴有限元模型3
2主轴约束条件设定3运行结果与分析
对主轴动态进行分析时，最主要的是要加上零3.1动态分析结果
用子空间迭代法对主轴进行动态分
约束,把前面的轴承看成是固定端，来限制其全部Subspace
析分析出来的结果可以显示其主轴的运行情况
自由度，后面的轴承为活动端，在轴向不需要加约，。
并且可以显示出来每一阶的阵型其中在阵型中
束。被分析部分只包括旋转和支撑两种部件，即轴，，，
低阶的阵型最能显示出来主轴的运行及结构状态
和前两个轴承。由于主轴的载荷比较复杂，在主轴，
本文在分析时提取出主轴的前六阶运行状态其第
旋转时候受到切削力，弯矩和转矩的共同作用而在，
一三五阶振型如图所示
前后轴承的支承下旋转。为了方便计算分析，可以、、4、5、6。
把主轴看成是空间弹性梁，也就是把轴承看成是只
具有径向刚度，而没有角刚度。因此，将可以把轴承
支撑再简化为径向的压缩弹簧，也就是把轴的径向
便界用模拟轴承来支承。用弹簧作为弹性支撑分布
在轴的四周。分布情况如图3所示，弹簧是所用的图4一阶———平动振型
弹性阻尼单元Combine14来模拟。根据主轴在工作
时候的工作情况，在T1、T2、T3、T4节点上分别加上
轴向约束，另外的4个节点上，也就是的T5、T6、
T