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基于ANSYS加工中心主軸箱的有限元分析及優(yōu)化

發(fā)布于:2015-12-22 21:11
加工中心有限元分析

      主軸箱是高速立式加工中心最關(guān)鍵的受力部件,它的強(qiáng)度、剛度好壞將直接影響到加工中心的精度和壽命。若采用常規(guī)算法進(jìn)行線性設(shè)計計算,則不易給出準(zhǔn)確的計算結(jié)果,且無法了解主軸箱各部位的受力狀態(tài)和變形情況。導(dǎo)致的結(jié)果是增加了結(jié)構(gòu)重量,浪費了材料,并且難以提高產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量和水平。隨著計算機(jī)與軟件技術(shù)的日益普及和應(yīng)用,有限元分析等現(xiàn)代結(jié)構(gòu)分析方法己受到工程設(shè)計人員的廣泛認(rèn)同和采用,并取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。分析采用Ansys有限元軟件分析高速立式加工中心主軸箱,為優(yōu)化方案選擇提供可靠的理論依據(jù)。
1、主軸箱有限元分析
      高速立式加工中心主軸箱通過滾珠絲杠實現(xiàn)上下移動,所以在進(jìn)行有限元分析時把絲杠和絲杠螺母裝配到主軸箱上,這樣分析的結(jié)果更加客觀地反映工作時此結(jié)構(gòu)對加工精度的影響。
      主軸箱主要材料HT300,在進(jìn)行有限元分析時,對主軸箱加載力的大小不影響主軸箱的計算剛度,所以取高速立式加工中心工作時受三個方向力的大小分別為:Fx=Fy=100N、Fz=200N。四種類型的物理模型是在Solidworks中建立的,在導(dǎo)入Ansys之前,綜合考慮計算精度的影響及有限元模型的計算規(guī)模,根據(jù)圣維南原理,對部分局部特征如倒角、小孔等進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?br /> 2、多孔筋主軸箱有限元分析
      主軸箱、絲杠和絲杠螺母在Ansys中粘結(jié)成一個整體,考慮到主軸箱特征的復(fù)雜性,經(jīng)反復(fù)試驗,選取6級精度、solid45單元對主軸箱、滾珠絲杠和絲杠螺母進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分。對主軸箱進(jìn)行靜態(tài)分析時,關(guān)鍵是約束和力加載的位置及方向的選擇是否符合實際情況,這關(guān)系到有限元計算的精度,甚至影響到分析結(jié)果正確性。通過對此高速立式加工中心工作時的特點進(jìn)行深入分析,約束主軸箱后壁上四個安裝滑塊面的x、y向的位移,約束絲杠上下表面的x、y、z向的位移。加工中心工作時,刀具的受力間接地傳遞給主軸箱,為了更好的模擬主軸箱的受力,分析采取在刀尖的空間位置上建立一質(zhì)量點(單元類型為mass21)來模擬刀尖,把此質(zhì)量點剛化到主軸箱安裝電主軸的下表面上,在此質(zhì)量點上分別加載x、y、z三個方向的力。


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