机床主轴的动力学建模及优化设计

态特性作出符合实际的预测并提出改进方机床主轴的向,还可以在短时间内作出多种方案比较,使机床主轴实现优化设计,进而提高产品一次设计成功率、缩短产品开发周动力学建模及优化设计期,提高加工中心产品的设计水平1主轴部件的有限元建模CA6140机床主轴为阶梯轴,可以简吴化勇山东理工大学工程技术学院255012化为一个线弹性系统,其运动微分方程可以写为摘要利用有限元分析方法和优化设计方法high-speed cutting; spinde system; dynamic model;品设计阶段对主轴动态特性作出符合实际的| optimize design; names test预测并提出改进方向。在短时间内作出多种方蒙比较,使机床主轴部件实现优化设计通而提高声品一次设计成功率,脑短声品开前言发周期,提高主轴产品的设计水平。tETN/下RE关健词机床主轴的性能正在向高转速、高精高速切削;主轴系统;动力学模型;优化度、高刚度方向发展,通过对机床主轴动设计;动态测试态特性的有限元分析,为改善机床主轴的5%毛.8冲图分类号:TG502.3静动态特性提供必要的理论依据和数据汶献标识码:A不仅能在产品设计阶段就能对主轴部件动图2五阶模态的列表显示In this paper we can get the spindles dynamicaracteristics and the way to improve them byANSYS method and optimization design technologySeveral projects can be found and compared quicklyso the spindle parts of machine can be optimzedorten the designtime, and get to high design level about spindle图2(b)二阶模态的振型图prodcts最大变形位于主轴中间位置,最大位移量为0.280559mm图2(c)三阶模态的振型图最大变形位于主軸中间位置,但与二阶模态变形的方向不同,最大位移量0.291149mm图1力学模型装装嘉图1(a)有限元模型图2(d)四阶模态的振型图最大变形位于主轴前编位置,最大位移重0.326109mm,中国煤化工CNMHG图2(a)一阶模态的振型图2(e)五阶模恐的振型图最大变形遍布于蹩个主轴,最大位移量为0.39574mm。最大变形位于主轴后端位置,最大位移0.703619mm。式中,[M][C]、[K】分别为系统的总五阶模态的列表显示如图2。其它信息,如图4体质量、阻尼和刚度矩阵五阶模态的振型图如图2(a)(b)(c)(2)对原主轴与优化后主轴的模态分析{b(t)},{R(t)分别为节点的(a)(e结果比较,如表2。位移和外力矢量由上述结果明显看出,各阶振型的分机末的转速范围为10~1400r/min简化后的力学模型如图1所示。布状况及位移大小,高阶模态的位移量变都不会发生共振,优化后的主轴在工作过其中Fr,F分别表示主轴上大齿轮所化较大,前五阶最大值为0.793619mm,程更远离共振发生的区域,满足要求受轴向力和切向力,F表示刀具对工件的模态分析结果为改进主轴动态特性提供了4结论主切削力。T表示由F产生的扭矩,T2理论依通过对机床主轴的动态模型建立并对表示F3产生的扭矩。2主轴部件的优化设计其进行优化分析,在主轴设计阶段即得出应用体单元建立其结构有限元模型优化设计问题描述:相关结论。如图1(a)所示。根据力学模型对其施加约束材料的弹性模量:E=21×10MPa与载荷,模态提取方法选用子空间方法材料的许用应力:=200MPa参考文献根据力学模型对其施加约束与载荷需要简化有限元分析模型,因为主轴(]张朝晖AN8.0结构分析与实例解析模态提取方法选用子空间方法。其前三阶左端没有载荷作用,所以为了方便建模和北京机械工业出版社205有频率分别为:f1=52.75Hz;f2=84减少设计变量,只对主轴中间支撑和右端凹2]王国强实用工程數值模拟技术及其在3H:117前三阶固有频率的振支撑之间的部分进行优化设计,长度固定A上的实践西安画北工业大学出版型分别对应于图2(a)、(b)、(c)·不变,只优化横截面,因为密度一定,所社19L以求体积最小转化为求质量最小]苏翼林.材料力学.北京:高等教育有限元优化分析模型如图3出版社.1984建立结构优化设计的模型:作者简介INDD 07 MTa sEIt CH BISOLIt PILEMin f(x吴化勇.男.汉.1979年生人:单位:山东X=X1,X2,X3,X4,X5,X6=〔A1,理工大学工程技术学院:讲师:研究方向A2,A3,A4,A5,A6机械测试技术0.020≤A1≤0.0260.035≤A2≤0.045上接第137页0.035≤A3≤0.050件厚度不变的情况下,温差从15℃到20℃图4五阶模态的列表显示0.035≤A4≤0.0530.035≤A5≤0.058试件的导热系数相同。表2优化前后模态分析结果比较单位:Hz)0.035≤A6≤0.100结论阶[三阶「三阶四阶五阶注:横截面积的单位为m。其中,f(x)表示主轴的重量,A1聚苯乙烯泡沫塑料的主要应用是l化|0n40s182.A3.A4,A5、A6分别代表图3中所热,而导热系数是衡量其热性质的一个重表明的变量,优化后的结果与优化前进行要指标,温差在一定范围内的变化,引起化6885948.04109501346914277导热系数值的微小改变,可以看成仪器本从表1中可以明确看出,在满足设计身的系统误差,可忽略不计,在忽略掉系表1优化结果比较(单位:mm)要求的情况下,能够减小橫截面积,统误差后,得出结论是温差从15c到20℃从而减轻主轴的重量(优化后的重量试件的导热系数相同AA2A3AA5A6为14.436千克),实现对主轴结构的优化,可以节省材料.但是受到结构方渗考文献06s5|000s面的限制,A6的值仍为100m[][英]大为·伊夫斯主编,周南桥,彭响3优化后的主轴动态分析方等译泡沫塑料手册M.北京:化学工业4.a613进行动态分析,得出5阶模态的频率及|2兑热材并及相关术语.GB4132-)用相同的方法对优化后的主轴出版社2061996]绝热用模塑聚笨乙烯泡沫塑料.GB/T0801.1-20024]绝热材料稳态热阻及有关特性的测定防护热板法(o50/Ds8302:1986)GB中国煤化工CNMHG哈尔滨人,工程师,研图3优化分析模型139