基于ANSYS的CKS6125數(shù)控機床主軸的模態(tài)分析

1、基于 ANSYS 的 CKS6125數(shù)控機床主軸的模態(tài)分析*王紅兵 1, 敖瑞金 2, 黃漢琨3(1新余中冶環(huán)保資源開發(fā)有限公司 , 江西 新余 338001; 2新鋼集團新冶公司 , 江西 新余 338001;3嘉興學院 機電工程學院 , 浙江 嘉興 314001摘 要 :建立 CKS6125機床主軸的三維實體模型 , 基于 ANSYS 有限元分析 , 對 CKS6125機床主軸進行了模態(tài)分析 , 得出了 CKS6125機床主軸前五階固有頻率和振型 。 掌握 CKS6125機床主軸各階振動模態(tài)的特點 , 有利于 CKS6125機床主軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計 , 對提高數(shù)控機床主軸的設(shè)計質(zhì)量具有重要意義

2、。關(guān)鍵詞 :有限元方法 ; 模態(tài)分析 ; 固有頻率 ; 振型中圖分類號 :TH161+6文獻標識碼 :A 文章編號 :10074414(2011 05003002Finite element analysis of CKS6125CNC machine tool spindle based on ANSYSWang Hong bing 1, Ao Rui jin 2, Huang Han kun 3(1Xinyu metallurgical environmental resources development Co, Ltd , Xinyu Jiangxi 338001, China ;2N

3、ew metallurgical and steel group , Xinyu Jiangxi 338001, China ;3School of electromechanical engineering , Jiaxing university , Jiaxing Zhejiang 314000, China Abstract :A three dimensional model of CKS6125machine tool spindle is establishedThe vibration modal analysis is made based on finite element

4、 method , The first five natural frequencies and vibration models of the CKS6125machine tool spindle are obtainedIt is very essential to research the characteristics of the first five natural frequencies and vibration models of CKS6125machine tool spindleIt is important to improve the performance of

5、 machine tool spindle by using finite dement anal-ysis in the design of CNC machine tool spindleKey words :finite element method ; modal analysis ; natural frequency ; vibration type1引 言主軸部件是整個數(shù)控機床的核心部件 , 其動態(tài)特 性將對機床的加工精度 、被加工表面的質(zhì)量和生產(chǎn)率 產(chǎn)生很大影響 。 在高速主軸上存在各種激擾力的作用 , 使其產(chǎn)生復雜振動 。 如果這些激擾力的激振頻率 恰好與主軸的某一固有頻率相

6、吻合 ,將產(chǎn)生共振 , 導 致在主軸上某些部位產(chǎn)生很大的共振動應力 , 從而影 響被加工表面的質(zhì)量 。 因此 , 對高速主軸進行模態(tài)分析 , 得到其固有頻率及振型 , 具有重要的意義 1。2構(gòu)建幾何模型以往中空階梯軸多采用空間梁單元模擬 , 隨著計 算機軟硬件技術(shù)的發(fā)展 , 運算能力獲得極大的提高 , 現(xiàn)在的 PC 機具有以前工作站的能力 。 以沈陽機床 一廠生產(chǎn)的 CKS6125型數(shù)控車床主軸為試驗對象 , 采用三維實體單元模擬相對梁單元來說 , 主要原因是 梁單元模型忽略了主軸截面形狀及剪應力的影響 , 而 三維實體單元可考慮截面形狀因素 ; 在約束條件上三 維實體單元更接近實際情況 ;

7、對于長徑比小于 10 1的主軸部件 , 宜采用三維實體單元 2。 圖 1主軸的結(jié)構(gòu)尺寸簡圖 ,M 1、 M 2處為彈性支承位置 。 圖 1軸的結(jié)構(gòu)尺寸簡圖3有限元模型建立圖 2主軸三維外觀圖利用 ANSYS 有限元分析軟件直接建立三維模型 。 在建立模型過程中 , 為便于 有限元分析 , 對模型進行了 簡化 , 主要包括螺紋 、 鍵槽 按實體處理 ; 忽略退刀槽 、 倒角等局部特征 。 經(jīng)簡化 后可提高計算效率 , 對計算結(jié)果精度影響不大 。 主軸三維外觀圖如圖 2所示 。4單元類型選擇和網(wǎng)格劃分按照前面模型分析的要求 , 主軸實體模型采用·03·研究與分析欘欘欘欘欘欘欘欘

8、欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘 ·機械研究與應用 欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘·*項目 :嘉興市科技計劃項目 (2010C31059收稿日期 :20110411作者簡介 :王紅兵 (1967 男 , 江西人 , 主要從事設(shè)備管理工作 。Solid45單元 。 Solid45單元為空間 8結(jié)點等參元空間 單元模擬主軸 , 用于模擬三維實體單元 。 Solid45單 元材料參數(shù) , 彈性模量 206e11N /m, 泊松比 028, 密度 7800kg /m3由于主軸的軸向剛度很大 , 阻尼對橫向振動特性 影響很小 , 所以在建立有限元模型中只考慮徑向剛度 影響 , 利用四個

9、同截面周向均布的彈簧一阻尼單元模擬 。 以下為機床主軸的動力學模型 ,利用彈簧一阻尼 單元模擬軸承的彈性支承 。 圖 3為兩組彈簧單元模型 , 其位置分別取前后兩個內(nèi)錐孔圓柱滾子軸承的中 截面處如圖 1為主軸的結(jié)構(gòu)尺寸簡圖中 M 1、 M 2處為 彈性支承位置 , 用以考察軸承對主軸橫向振動固有特 性的影響 。圖 3兩組彈簧單元模型為了更好地實現(xiàn)對主軸動態(tài)特性的分析 , 考慮軸 承的彈性對主軸的固有振動特性的影響 , 筆者對軸承用 Combin14單元進行模擬簡化 3。 取前軸承和后 軸承的剛度為 10E8N /mm, 阻尼為 0。 彈簧 阻尼單元外部 4個節(jié)點限制全部自由度 , 前端內(nèi)錐孔軸

10、承支 承內(nèi)部 4個節(jié)點限制軸向自由度 。 為了限制主軸 X 軸方向的移動 , 在截面 M 2上與彈簧相連接的 4個主 軸上的節(jié)點加上 UX 約束 。 在彈簧的另外一端為完 全固定 。 主軸的有限元模型如圖 4所示 。圖 4主軸的有限元模型5機床主軸振動模態(tài)分析模態(tài)是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)固有的 、 整體的振動特性 , 每 個模態(tài)具有特定的固有頻率和模態(tài)振型 。 模態(tài)分析 是研究結(jié)構(gòu)動力學特性的一種方法 , 是結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè) 計及故障診斷的重要手段 。 通過模態(tài)分析可以掌握 結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在一定頻率范圍內(nèi)的主要模態(tài)特性 , 預測在 外部或內(nèi)部各種振源作用下的實際振動響應 。在 ANSYS 中提供了七種模態(tài)方法 , 采用

11、 BlockLanczos 法 , 該法是求解大型矩陣特征問題的一種最 有效的方法 , 其特點是利用遞推關(guān)系式產(chǎn)生一個正交 的向量矩陣 Lanczos 向量矩陣 , 通過該矩陣的相乘 運算便可以獲得一個對于結(jié)構(gòu)的離散化模型質(zhì)量優(yōu) 良的假設(shè)模態(tài)矩陣 , 即截斷的 Lanczos 向量矩陣 , 其 形成的模態(tài)空間能有效地逼近結(jié)構(gòu)的離散化模型的低階模態(tài)空間 。 與子空間迭代法相比 ,該方法既適用 于同樣廣的求解問題的范圍 , 又有更快的求解速度 ,對模型單元的質(zhì)量要求也較低 , 所要內(nèi)存及硬盤空間 也不高 ; 此外 , 計算精度比減縮法高4。結(jié)構(gòu)的振動可以表達為各階振型的線性疊加 , 其中低階振型比

12、高階振型對結(jié)構(gòu)的振動影響大 , 低 階振型對結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性起決定作用 , 故進行結(jié)構(gòu) 的振動特性分析時通常取前 5 10階即可 。 因此 , 在 ANSYS 中采用 Block Lanczos 模態(tài)提取法計算了 主軸的前 5階固有頻率和振型 。求出主軸的前五階固有頻率為 :0759e 4Hz 、 87474Hz 、 87474Hz 、 1019Hz 、 1019Hz , 如圖 5所示 。由此可知 , 二 、 三階固有頻率相等 , 而且其振型 表現(xiàn)為正交 , 可視為一對重根 ; 同理 , 四五兩階也如 此 。 可以看出主軸的固有頻率足夠高 , 即主軸的動 、 靜剛度能夠滿足高剛度的設(shè)計要求 。

13、根據(jù)主軸模態(tài) 分析得到的固有頻率計算主軸的一階臨界轉(zhuǎn)速 n =60 87474=52484r /min遠大于高速車削主軸的工 作轉(zhuǎn)速 (小于 5000r /min , 說明主軸的工作轉(zhuǎn)速能 有效地避開共振區(qū) , 保證主軸的加工精度 。圖 5 一階振型圖有振動頻率圖 6二階振型圖圖 7三階振型圖由圖 5 9可以看出 , 主軸在第二 、 三 、 四 、 五階 時 , 發(fā)生了彎曲變形 ; 第一階時 , 主軸發(fā)生軸向變形 。(下轉(zhuǎn)第 34頁 ·13·欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘 研究與分析·機械研究與應用 欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘 ·度分

14、布 。 總的來看 , 流道內(nèi)顆粒相體積濃度的不均勻 性有隨流道半徑增大而逐漸增加的趨勢 。圖 5不同葉片數(shù)的顆粒體積濃度分布云圖隨著葉片數(shù)目的增加 , 流道內(nèi)顆粒相體積濃度的均勻性先升高后降低 ,這是由于 Z =5時 , 流道擴散 度相對比較大 , 存在脫流區(qū)域 ; Z =6時 , 流道擴散度減小 , 適當數(shù)目的渦使顆粒分布更加均勻 ; Z =7時 , 流 道擴散度進一步減小 , 流道內(nèi)排擠現(xiàn)象嚴重 , 渦數(shù)目的 進一步增加 , 造成顆粒相體積濃度的均勻性再次下降 。4結(jié) 論采用 Mixture 模型和標準 湍流模型對磁流 變拋光循環(huán)系統(tǒng)用離心泵進行了三維數(shù)值模擬 , 結(jié)果 表明 : 葉片數(shù)目

15、的增加 , 導致流道變窄 , 流道內(nèi)漩渦 增多 , 使葉輪出口總壓先增加后減小 , 整個葉輪流道 內(nèi)濃度均勻性先升高后降低 , 對流道內(nèi)速度分布產(chǎn)生 了較為顯著的影響 ; 從總壓 、 速度 、 濃度分布圖中可 以看出 , 對這種結(jié)構(gòu)參數(shù)的磁流變拋光用離心泵而 言 , 葉片數(shù)為 6時 , 葉輪出口處有較高的出口壓力 , 流 道內(nèi)顆粒濃度分布比較均勻 , 矢量圖上顯示渦的數(shù)量 也比較少 , 該葉輪性能明顯優(yōu)于其他兩種形式的葉 輪 。 參考文獻 :1朱應順 , 龔興龍 , 李輝 , 等 磁流變液剪切屈服應力的數(shù)值分析 J 中國礦業(yè)大學學報 , 2006, 35(4 :4985032王亞曦 , 潘雙夏

16、 , 王維銳 磁流變液減振器中磁場強度的數(shù)學建模及有限的分析 J 機械 , 2006(5 :133Markus Schinhaerl , et alComparision of different magnetorheologi-cal polishing fluids J Optical fabrication , SPIE Proc , 20074Wang Hongjun , et alResearch on Rheological Property of Magneto-rheological Fluid J Advanced optical manufacturing technolo

17、gies , SPIE Proc , 20075劉棟 , 楊敏官 , 董祥 出口角對離心泵內(nèi)固液兩相流動的影響 J 排灌機械 , 2009, 27(1 :45466劉建瑞 , 徐永剛 , 王董梅 , 等 離心泵葉輪固液兩相流動及泵外特性數(shù)值分析 J 農(nóng)業(yè)機械學報 , 2010, 41(3 :86897沈宗沼 , 楊定軍 液固兩相流泵葉輪內(nèi)流場數(shù)值分析與試驗研究 J 煤礦機械 , 2010, 31(1 :櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒櫒 5659(上接第 31頁 主軸以彎曲變形為主 , 同時也發(fā)生軸向變形 。 因此 , 主軸在工作時

18、, 主要發(fā)生彎曲變形 。圖 8四階振型圖 圖 9五階振型圖根據(jù)振動理論 。 振動過程中的能量主要集中在第一 、 二階 , 彎曲是主軸的主要振動 。 由于采用近似 的線性模型 (包括材料特性的線性化和有限元模型 的線形化 , 因而在階數(shù)越低的情況下對主軸進行的 理論分析值與實驗測得的值就越接近 , 而在高階部分 則誤差越來越大 。6結(jié) 論通過對主軸進行模型簡化 , 建立有限元模型 , 并 對該軸進行模態(tài)分析 , 獲得其固有頻率及振型 , 從而 計算出該軸的臨界轉(zhuǎn)速 5, 結(jié)果表明在設(shè)計范圍內(nèi) 振動平穩(wěn) , 不會發(fā)生共振 , 在 ANSYS 中對模型的簡化和有限元分析結(jié)果是完全合理的 , 為進一步的諧響應 分析提供必要的依據(jù) 。 參考文獻 :1吳玉厚 , 劉小文 170SD30全陶瓷電主軸有限元分析及其振動性能測試 J 沈陽建筑大學學報 (自然科學版 , 2010, 26(4 :7677712孫黎 , 王春秀 基于 ANSYS 的大型風力發(fā)電