浅析利用ANSYS软件合理设计机床主轴支撑跨距

张振山 丁凯军 郑越超 陈文杰

（河北机电职业技术学院，河北 邢台 054048）

浅析利用ANSYS软件合理设计机床主轴支撑跨距

张振山 丁凯军 郑越超 陈文杰

（河北机电职业技术学院，河北 邢台 054048）

主要介绍了在机床设计时，利用ANSYS软件分析技术，合理计算主轴支撑跨距的步骤、方法，以图示的方法进行数据分析，并对结果进行了分析，从而提高机床的使用性能。

机床主轴 支撑跨距 几何建模 分析

金属切削加工中，机床主轴与工件、刀具、夹具组成工艺系统，影响加工过程。机床主轴支承跨距对工艺系统刚性、主轴前端切削点处变形影响较大，如果设计不合理，将严重影响机床切削性能。因此在设计时，利用成熟的软件技术，通过动态优化的方法来研究主轴支承跨距对主轴的静、动态特性及灵敏度变化规律，从而合理确定支撑跨距，在机床设计中就显得意义重大。

1 分析步骤

（1）使用Pro/E或其它三维CAM软件为机床主轴（图1a）建立三维几何模型，经过简化处理后的主轴实体模型如图1b所示。

（2）把主轴实体模型导入ANSYS有限元软件，转成有限元模型（图2）。分析时对主轴统一采用实体单元来划分，主轴与主轴箱体之间的连接采用线性弹簧-阻尼单元来模拟滚动轴承的连接，将主轴箱体刚度折算到主轴轴承刚度上；卡盘和带轮在本文计算中简化为两个集中质量单元分别作用于主轴上。计算中实体单元采用SOLID45单元，该单元节点所对应的自由度为UX、UY、UZ，与线性弹簧-阻尼单元的节点自由度一致。整个结构一共划分了68 760个实体单元、8个弹簧-阻尼单元和2个集中质量单元，实体单元的划分由计算机自动完成。

（3）计算时，主轴的支承跨距分别取270、290、310、331、350、370 mm，然后，进行有限元静力、模态分析计算。根据计算结果利用MATLAB软件通过样条曲线插值画出跨距对主轴性能的影响变化曲线（图3～6），分别为主轴跨距对主轴前端静变形、前3阶固有频率的影响变化曲线。

2 结果分析

（1）由主轴前端静态变形相对跨距的灵敏度变化曲线（图3）可知，该主轴的最优跨距为330～345 mm左右，原主轴跨距为331 mm，位于最优跨距范围，因此，该机床的主轴跨距设计基本上是合理的。

（2）随着跨距的增大，主轴部件的第1、2阶固有频率呈线形增大的变化趋势，而第三阶固有频率没有大的变化（图4）。

（3）主轴前端Y方向上的响应峰值第2、3阶相差较大（第3阶响应峰值约为第2阶的5倍），增大主轴跨距虽然使第二阶谐振峰值略有上升，但可以使薄弱模态Y向第三阶模态的谐振峰值有所下降，比如将跨距从331 mm增大到340 mm，则该阶模态的谐振峰值约可降低1.5 mm（图5）。

（4）在主轴前端Z方向上，第2、3阶模态的谐响应峰值都很小，且在跨距为331～340 mm之间变化不大（图6）。

（5）归纳上述4点，可知当前跨距能够基本满足主轴部件静态特性要求，而且Z方向上的动态特性也令人满意，但是从提高Y方向第3阶模态的动柔度特性来看，可以将主轴跨距适当增加到340 mm。

[1]钟日铭.Pro/ENGINEER野火版工业设计经典手册[M].北京：邮电出版社，2007.

[2]王湘江.综合运用CAXA、Pro-EENGINEER和ANSYS优化设计齿轮[J].CAD/CAM与制造业信息化，2006（6）.

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Analysis of Design The Machine Tool Spindle Supported Span Rationally Using ANSYS Software

ZHANG Zhenshan，DING Kaijun，ZHENG Yuechao，CHEN Wenjie
（Hebei Mechanical and Electrical Professional Technology Institute，Xingtai 054048，CHN）

This paper describes the machine tool design，using ANSYS software analysis techniques，supported by a reasonable calculation of spindle span the steps，methods and ways of being represented graphically data analysis，and the results is analyzed so as to enhance the use of machine performance.

Machine Tool Spindle；Support Span；Geometric Modeling；Analysis

张振山，男，1976年生，硕士生，讲师，研究方向为先进制造技术。

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（收修改稿日期：2009-12-04）

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