基于有限元的机床丝杠螺母可靠性研究分析*

刘彦伯

(陕西国防工业职业技术学院机械工程学院，陕西西安 710300)

0 引言

随着科学技术的进步和信息化时代工业技术的飞迅发展，现代机床设备凭借其高精度、高质量、高效率等诸多优点在现代工业生产中的使用范围和频率越来越广泛，这就要求厂家的设计周期要急剧压缩且更有效率，工程设计人员精通CAE并结合CAD、CAM也成为一种必然趋势。有限元方法及软件在工程中的应用正好弥补了这一空缺，在近十几年内CAE软件有了飞速式的发展并被广泛应用到工程实践中，ANSYS正是被广泛应用的软件。有限元分析方法实际是要还原一个实际工程中的数学行为，在对具体工程问题进行有限元分析时，先要建立一个可信、可靠的有限元模型，合理的建模方法是准确建立模型的关键。笔者正是在CAD/CAE的基础上借助三维建模软件Pro/E和有限元软件ANSYS对研究对象进行研究分析，Pro/E软件的引入也弥补了ANSYS软件在建模功能的相对不足［1］。

1 分析思想及模型建立

笔者主要对某型车床丝杠螺母啮合处螺纹的可靠性进行分析与研究。为了方便研究，只选取其中一节丝杠螺母的螺纹连接处作为研究对象。在分析前，先应在不影响研究对象结构和受力状态的前提下对其进行结构的简化和合理的假设，这样做可提高分析运算的效率且不影响分析的结果:①建模过程中忽略了小孔、凸台等对分析结果影响不大的结构要素;②视零件材料为均质、一体的，统一设置材料的弹性模量、密度、泊松比等参数及接触面类型;最后，设置边界条件进行相关的静力学分析，得到变形、应力、应变云图等;③处理得到最终的分析结果。

为了使有限元分析仿真结果具有可靠性和准确性，要求在建立三维模型时要尽可能绘制的完整且细致，以便于提高在后续有限元分析时的可靠性和精准度。但是ANSYS软件的三维建模功能不是很强大，操作时相对较繁琐，所以可先用三维建模功能较强大的专业软件Pro/E完成建模，然后再导入ANSYS中进行后续分析处理［2］。Pro/E和ANSYS毕竟是两款内部核心不同的软件，那么在Pro/E导入ANSYS的过程中难免会出现失真、数据不兼容等情况，对后续的分析处理造成了一定的困扰。

正确导入的方法有很多:①利用中间格式进行导入，比如IGES格式等，具体做法如下:先用Pro/E软件把三维模型另存为IGES格式，再用ANSYS软件打开IGES文件，进行一定的修补即可;②通过ANSYS所提供的专用接口将ANSYS集成到Pro/E中，但要注意软件的兼容性，如ANSYS 14和Pro/E 4.0就不能进行有效集成。该研究对象的三维模型及网格划分情况如图1所示。网格总共87 850个单元、151 433个节点，单元大小适中，网格质量良好。螺纹连接处采用Bond-ed方式［3］。

2 载荷约束的施加及求解结果分析

选择材料是合金材料36CrNiMo4，选择相应操作，对材料进行设定后，相应的密度、杨氏模量、泊松比等也进行了相应的调整。丝杠内表面采用了Cylindrical Support，轴向移动为自由，丝杠一端添加了约240 t的轴向力，螺母固定与导轨的接触面［4－7］。具体加载和约束情况如图2所示。

图1 三维模型及其网格划分

图2 加载和约束情况图

根据总变形云图可反映出研究对象在受力状态下的最大形状形变过程，对其结构改进和优化具有一定的意义。研究对象的总变形图、X方向变形图、Y方向变形图、Z方向变形图分别如图3、4、5、6，根据该变形云图可看出变形最大不超过0.123 44 mm，Z向变形(即轴向变形)稍大，为丝杠螺母受力时的主要变形方向，总体来看变形较小，这就说明总体设计基本可满足设计工况的要求［8－9］。

图3 总变形图

图4 X方向变形图

图5 Y方向变形图

图6 Z方向变形图

研究对象的总等效应力云图、螺母等效应力图、丝杠应力图分别如图7、8、9所示，根据云图可看出，最大等效应力为659 MPa，出现在螺纹的边缘，此处相当于悬臂梁受力的情况，应力较大，在螺纹的啮合处应力在150 MPa左右。总体来看，丝杠螺母所受应力基本满足要求，其结构强度和刚度较好，总体设计基本满足设计工况的要求。

图7 总等效应力图

图8 螺母等效应力图

图9 丝杠等效应力图

3 结论

从分析结果可看出，螺纹变形的最大值为0.123 44 mm左右，最大接触应力值为659 MPa，且只出现在个别的应力集中点，螺纹的啮合处应力大部分在150 MPa左右，螺母最大应力出现在螺纹的边缘处，此处有应力集中，大约为450 MPa左右，丝杠最大应力出现在与螺母啮合处的边缘，大约为150 MPa左右。零件整体的安全系数基本可达2.0左右，基本满足安全系数不小于1.8的要求，所选用的合金材料36CrNiMo4是一种较理想的材料，其整体结构设计也较合理、结实耐用、具有较好的结构强度和刚度，基本可满足实际使用要求。对于个别区域应力集中的现象可进行简单的工艺处理，如对某些特定的边角进行必要的倒角、倒园便可消除应力过于集中的现象。

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