机床主轴的SolidWorks建模与有限元分析

    在机床加工过程中，主轴对机床加工精度和可靠性以及最终加工性能有非常重要的影响。随着机床速度、精度的提高，对其部件的静动态性能的要求也随之提高。机床主轴单元的静动态性能主要包括主轴的静态和动态刚度、固有频率、临界转速以及动态响应等。主轴仿真模型要求在进行主轴设计参数优化时，实现所有速度下的动态刚度最大化，或者在特定的加工应用程序中的特定速度下实现轴向最大切削深度。因此，在设计阶段需对其进行详细的静力学和动力学分析，以提高设计效率、减少试验成本，进而提高主轴的使用性能。

    作者以桂林机床厂生产的XH2320/4机床的主轴为研究对象，研究其有限元建模方法。首先通过对其进行三维建模，然后在ANSYS中搭建有限元模型，得到主轴的模态参数，为以后进行类似产品的主轴部件有限元分析打下了基础，并为进一步进行数控机床其他部件和整机的有限元分析做准。

1 XH2320/4加工中心主轴机构

    某公司所研发的产品XH2320/4为定梁定柱式五面体加工中心。该产品采用定梁定柱结构、数控自动万能铣头和新型双线性导轨和滑动导轨的复合结构等先进技术，可实现45°轴立卧自动转换、C轴自动分度；可一次装夹工件自动完成多种空间方向的铣、镗、钻、攻丝等145道以上工序加工，实现五面体加工功能。所能达到的技术指标：工作台：2000mm×4000mm；三向行程：X向4000mm，Y向2600mm，Z向1000mm；主轴转速范围：25～3000r/min（无级）；主轴电机功率：30kW；定位精度：0.02mm；重复定位精度：0.01mm。该加工中心的主轴结构如图1所示，主轴总长为638mm。根据主轴电机功率，计算主轴所受的转矩，根公T=9550×P×η/n计算得到转T=11460N·m。

图1 主轴结构图

2 主轴建模与加载

    有限元模型建立的好坏关系到分析计算的准确性和计算成本。有限元模型可以在有限元分析软件中直接建立，也可以采用其他三维实体造型软件建立三维实体模型，然后调入到有限元分析软件中。可以很方便地完成各种复杂模型的设计，并且，它以Parasolid（以边界表示的实体建模模块）作为几何平台、以尺寸约束管理器（DCM）作为约束管理模块，底层功能得到专业机构的支持，技术上相对成熟、运行稳定。如果把与ANSYS结合起来，利用强大的建模能力，把在中建好的模型导入到ANSYS中进行有限元分析，就能够充分地发挥这两个软件在各自领域中的优势，提高工程技术人员的工作效率。因此，对与ANSYS间的数据交换进行研究，在实际工作中具有十分重要的意义。