機(jī)械答辯匯編

1、數(shù)控機(jī)床電主軸有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)姓 名 : 學(xué)科專(zhuān)業(yè) : 機(jī)械設(shè)計(jì)及理論指導(dǎo)老師 : 答辯日期 : 2013.5課題的主要研究?jī)?nèi)容本課題主要從以下幾個(gè)方面對(duì)電主軸進(jìn)行分析：電主軸基本結(jié)構(gòu)組成單元的確定電主軸的靜態(tài)特性有限元分析電主軸的動(dòng)態(tài)特性有限元分析電主軸的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化電主軸的熱態(tài)特性有限元分析 1.緒論高速加工以高切削速度、高進(jìn)給速度、高加工精度為主要特征。高速電主軸作為高速機(jī)床的核心部件，是實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床能夠完成高速加工的必要條件。其性能的好壞直接影響整臺(tái)機(jī)床的加工精度與生產(chǎn)效率。為了滿足高精度數(shù)控機(jī)床對(duì)電主軸產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)量的需求，因此在電主軸設(shè)計(jì)階段對(duì)高速電主軸單元組件的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行合

2、理的科學(xué)設(shè)計(jì)與計(jì)算并進(jìn)行深入的靜態(tài)特性、動(dòng)態(tài)特性及熱態(tài)分析分析是必不可少的。這對(duì)提高電主軸單元的綜合性能，使電主軸單元成為一個(gè)高水準(zhǔn)、批量生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)部件，具有十分重大的理論和實(shí)際意義。2 高速電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)電主軸總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初步確定設(shè)計(jì)完成后電主軸單元組件所能達(dá)到的預(yù)期值，見(jiàn)表。電主軸最高轉(zhuǎn)速電機(jī)額定功率主軸前端徑向跳動(dòng)主軸彎曲剛度溫升30000 r/min75 kw0.003 mm200 N/ 15主軸電機(jī)參考國(guó)內(nèi)外關(guān)于電機(jī)資料并結(jié)合電主軸初始參數(shù)設(shè)計(jì)，本課題將電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速與最高轉(zhuǎn)速之比設(shè)計(jì)為1：10。本文選用的無(wú)外殼電機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖所示。主軸軸承本課題所選用的電主軸，其最高旋轉(zhuǎn)速度為30

3、000r/min。選擇的軸承類(lèi)型必須要滿足電主軸高速旋轉(zhuǎn)的需求，且其應(yīng)具有較長(zhǎng)的使用壽命?？紤]到以上因素，本課題選用混合陶瓷球軸承，其主要參數(shù)見(jiàn)表。此種軸承的材料為Si3N4，其密度只有剛軸承密度的40%，因此減少了對(duì)軸承的壓力，是實(shí)現(xiàn)軸承高速運(yùn)轉(zhuǎn)的必要條件之一。參數(shù)前支撐后支撐精度P4P4組配方式背靠背背靠背內(nèi)徑（mm）6050外徑 (mm)8572寬度（mm）1312滾動(dòng)體直徑 (mm)7.8927.892極限轉(zhuǎn)速 (r/min)3700044000接觸角 1818潤(rùn)滑方式油氣潤(rùn)滑油氣潤(rùn)滑主軸軸承油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)本文使用油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)電主軸軸承的潤(rùn)滑與冷卻，其示意圖如圖所示。本文選用油水熱

4、交換冷卻系統(tǒng)，其示意圖如圖所示。油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)示意圖油水熱交換系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)用機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)設(shè)計(jì)電主軸用機(jī)械手冊(cè)對(duì)電主軸進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)的具體參數(shù)按照下圖進(jìn)行設(shè)計(jì)。電主軸結(jié)構(gòu)基本尺寸參數(shù)軸內(nèi)力計(jì)算與彎扭矩計(jì)算軸內(nèi)力計(jì)算彎扭矩計(jì)算計(jì)算臨界轉(zhuǎn)速完成當(dāng)量直徑、軸截面的慣性矩等相關(guān)主軸參數(shù)的輸入，最后點(diǎn)擊圖下部“計(jì)算”選鍵，可計(jì)算得到軸的一階臨界轉(zhuǎn)速，其值大小為84840r/min。計(jì)算臨界轉(zhuǎn)速本章小結(jié)本章首先確定了電主軸系統(tǒng)組成單元組件參數(shù)所能達(dá)到的預(yù)期值，在此基礎(chǔ)上，完成了電機(jī)和主軸軸承的選型、潤(rùn)滑系統(tǒng)與冷卻系統(tǒng)的確定。其次，使用機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)設(shè)計(jì)電主軸，最后確定了主軸系統(tǒng)單元部件的基本參數(shù)，為下幾章

5、節(jié)電主軸有限元分析及優(yōu)化計(jì)算提供必要的參數(shù)。2高速電主軸靜態(tài)特性有限元分析電主軸靜態(tài)特性有限元模型根據(jù)電主軸結(jié)構(gòu)單元特點(diǎn)，為了方便計(jì)算，對(duì)電主軸模型進(jìn)行如下簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的靜力分析模型如圖所示。靜力分析模型電主軸有限元模型的建立根據(jù)第一章電主軸結(jié)構(gòu)組成單元部件設(shè)計(jì)時(shí)的具體參數(shù)值，在PRO/E中完成電主軸各組成單元的建模并進(jìn)行裝配，得到具體三維實(shí)體如圖所示。高速電主軸三維模型網(wǎng)格劃分ANSYS有限元分析軟件可以自身完成模型的網(wǎng)格劃分，如圖所示：第一種自由網(wǎng)格劃分（Free Meshing），它生成的網(wǎng)格是不規(guī)則排列的，由于自由網(wǎng)格分析精度相對(duì)較低，本課題采用映射網(wǎng)格劃分，對(duì)每個(gè)體依次進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

6、ANSYS 網(wǎng)格劃分主軸靜剛度求解將主軸徑向力F=4386N加載到主軸模型斷面上，得到電主軸的網(wǎng)格劃分模型與靜力變形云圖，分別如圖所示。電主軸網(wǎng)格劃分靜力變形圖從靜力變形中可以得知產(chǎn)生的最大位移量DMX=17.9um , 可由下式求得主軸的靜剛度值： 本文電主軸靜剛度的初始設(shè)計(jì)預(yù)期值為200 N/um，通過(guò)主軸的有限元靜力特性分析，得到電主軸的靜剛度為245 N/um，驗(yàn)證主軸的靜剛度符合設(shè)計(jì)需求。3.高速電主軸動(dòng)態(tài)特性有限元分析電主軸僅僅具有良好的靜剛度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足數(shù)控機(jī)床高速度、高加工精度的基本需求，同時(shí)必須具備良好的動(dòng)態(tài)特性。所以本章對(duì)電主軸的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，通過(guò)分析結(jié)果來(lái)驗(yàn)證電主軸

7、的動(dòng)態(tài)特性是否能夠滿足設(shè)計(jì)的需求。電主軸的模態(tài)分析利用上章節(jié)建立的三維有限元模型，利用ANSYS進(jìn)行模態(tài)分析得到前六階固有頻率振型圖，如圖所示。一階固有頻率及振型圖二階固有頻率及振型圖三階固有頻率及振型圖四階固有頻率及振型圖五階固有頻率及振型圖六階固有頻率及振型圖對(duì)電主軸完成模態(tài)分析后，由以上各圖可以得到電主軸的各階振動(dòng)的固有頻率值與振型，見(jiàn)表所示。階次123456主軸頻率/(Hz)115513781378270328252826振型Y向彎曲Y向彎曲Z向彎曲X軸向伸縮Y向擺動(dòng)Z向擺動(dòng)電主軸固有頻率與振型表固有頻率轉(zhuǎn)化為臨界轉(zhuǎn)速主要固有頻率與臨界轉(zhuǎn)速存在一定的聯(lián)系，主要通過(guò)以下幾個(gè)公式進(jìn)行轉(zhuǎn)化，

8、轉(zhuǎn)化后的臨界轉(zhuǎn)速值見(jiàn)表。轉(zhuǎn)化后的臨界轉(zhuǎn)速階次123456主軸頻率/(Hz)115513781378270328252826主軸臨界轉(zhuǎn)速 846629367693676152943159547168599轉(zhuǎn)化后的臨界轉(zhuǎn)速由表可知，即使最低一階臨界轉(zhuǎn)速84662r/min為電主軸最高工作轉(zhuǎn)速的30000r/min的2.82倍，說(shuō)明電主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，可以遠(yuǎn)離電主軸的共振區(qū)。說(shuō)明電主軸的動(dòng)態(tài)特性能滿足設(shè)計(jì)需求。4.高速電主軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)由前幾章可知道電主軸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)基本滿足設(shè)計(jì)需要，但若要驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)參數(shù)值是否為最佳，則必須對(duì)其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。ANSYS有限元分析軟件恰好能幫助實(shí)現(xiàn)在滿足設(shè)

9、計(jì)要求的前提下，尋找最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。這種優(yōu)化分析結(jié)果有相對(duì)較高的精度，可以用來(lái)對(duì)電主軸結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。參數(shù)化有限元模型的建立若想利用ANSYS優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊對(duì)電主軸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，必須對(duì)電主軸結(jié)構(gòu)和模型進(jìn)行簡(jiǎn)單的劃分。根據(jù)所設(shè)計(jì)電主軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，劃分結(jié)果如圖所示。前軸承之間的距離定為參數(shù)L1，前、后軸承之間的距離定義為L(zhǎng)2，后軸承之間的距離定義為L(zhǎng)3，前軸承與電機(jī)左端面的距離定義為L(zhǎng)4對(duì)電主軸結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化將主軸前端的橫向位移作為目標(biāo)函數(shù)，用字母MIN表示；將L1、L2、L3、L4 作為設(shè)計(jì)變量；將主軸最大應(yīng)力值作為狀態(tài)變量，用字母MAX表示。采用一節(jié)分析優(yōu)化算法，GUI方式生成優(yōu)化文件。S

10、ET 1*SET 2*SET3SET 4L4(DV)/m 0.69132E-020.92369E-020.76878E-020.74005E-02L1(DV)/m 0.74103E-010.74198E-010.78920E-010.71908E-01L2 (DV)/m 0.199620.196980.218150.20345L3(DV)/m 0.68040E-010.76011E-010.55100E-010.71968E-01MAX(SV)/m 0.50602E+090.44110E+090.50214E+090.49092E+09MIN(OBJ)/m 0.12960E-040.13915

11、E-040.14847E-040.13019E-04SET 5SET 6SET 7優(yōu)化前后主軸靜剛度值對(duì)比將相同的參數(shù)邊界條件加載到ANSYS有限元分析軟件，得到優(yōu)化后電主軸靜態(tài)變形圖，通過(guò)計(jì)算得知：，最大變形值為13.9m。此時(shí)，主軸的徑向靜剛度值為4386/13.9=315N/um,比優(yōu)化前提高了28%，主軸總長(zhǎng)度比原來(lái)縮短了5 mm。優(yōu)化后電主軸靜態(tài)變形圖5.高速電主軸熱態(tài)特性有限元分析高速電主軸熱載荷的計(jì)算若想要使用ANSYS分析軟件對(duì)電主軸進(jìn)行熱態(tài)分析，必須對(duì)電主軸的熱載荷進(jìn)行計(jì)算?，F(xiàn)將主要計(jì)算結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表6-1所示。 參數(shù)名稱(chēng)計(jì)算結(jié)果電機(jī)定子生熱率78087電機(jī)轉(zhuǎn)子生熱率80

12、319電機(jī)定子與冷卻油之間的對(duì)流換熱系數(shù)73.8電主軸與外部空氣的復(fù)合傳熱系數(shù)9.7電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子之間的對(duì)流換熱系數(shù)113.1軸承與油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)的對(duì)流換熱系數(shù)241表6-1 主要計(jì)算結(jié)果生熱率單位 ；換熱系數(shù)單位Wg(m2g)電主軸的穩(wěn)態(tài)熱分析將表6-1得到的計(jì)算結(jié)果作為熱邊界條件 ，將其加載到電主軸分析模型上，得到電主軸的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，如圖所示。圖中電主軸電機(jī)轉(zhuǎn)子所在處紅色區(qū)域的最高溫度在83左右，由于電主軸整體結(jié)構(gòu)比較緊密導(dǎo)致空氣流動(dòng)狀況不是很好，產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)的傳遞給定子，所以此處溫升最高。電機(jī)定子處藍(lán)色區(qū)域的溫度在50左右，因?yàn)橛退疅峤粨Q系統(tǒng)通過(guò)循環(huán)冷卻油源源不斷的對(duì)定子進(jìn)行降溫，此

13、外，電機(jī)定子有部分暴露在空氣中，可以與空氣進(jìn)行強(qiáng)對(duì)流換熱，及時(shí)將熱量釋放到空氣中。所以定子處的溫度相對(duì)較低。改善電主軸熱態(tài)特性的措施改善電主軸的熱態(tài)特性的措施主要通過(guò)兩種途徑：減小熱源的發(fā)熱量與增強(qiáng)電主軸的散熱能力。由于本課題電主軸單元設(shè)計(jì)工作已經(jīng)完成，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，組成單元的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)都以確定，所以采取減小熱源發(fā)熱量這一措施不予考慮，只能從提高主軸系統(tǒng)的整體散熱能力角度來(lái)考慮。本設(shè)計(jì)從改善電主軸軸承的潤(rùn)滑與電機(jī)的循環(huán)冷卻方面入手來(lái)提高散熱能力。將增大流量后，電主軸熱態(tài)分析的結(jié)果作為耦合分析的邊界條件，經(jīng)過(guò)ANSYS分析得到改善后的徑向位移變形圖，如圖所示。比較增加流量前后電主軸溫度

14、場(chǎng)的分布圖可知：轉(zhuǎn)子最高溫度大約由83降低到 73，前軸承的溫度大約由67下降到 61，后軸承的溫度大約由62下降到52。無(wú)論是電機(jī)轉(zhuǎn)子還是前后軸承，與增加流量前相比，溫升都有所下降。所以說(shuō)，合理增加油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)及冷卻系統(tǒng)冷卻水流量的方法，在一定程度可以改善主軸單元的熱態(tài)特性。增大流量后電主軸溫度場(chǎng)6.結(jié)論與展望論文的主要研究成果：（1）利用機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)完成了電主軸的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定了電主軸懸梁、跨距及臨界轉(zhuǎn)速的大小，最后利用ANSYS對(duì)電主軸進(jìn)行靜態(tài)特性分析，驗(yàn)證了其結(jié)構(gòu)的合理性。（2）在建立和分析混合陶瓷軸承模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了電主軸靜剛度的有限元分析。計(jì)算得到電主軸的靜剛度為245N/um ，大于初始設(shè)計(jì)的預(yù)期值200N/um 。說(shuō)明主軸靜剛度符合設(shè)計(jì)要求。（3）完成了電主軸模態(tài)分析及諧響應(yīng)分析，本文設(shè)計(jì)的電主軸頻率為500Hz，遠(yuǎn)離1100 Hz到1200 Hz范圍，證明主軸設(shè)計(jì)的合理性，動(dòng)態(tài)特性滿足設(shè)計(jì)需求。（4）建立電主軸的參數(shù)化模型，利用ANSYS自帶的優(yōu)化功能，對(duì)電主軸結(jié)構(gòu)單元組件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化，通過(guò)優(yōu)化前后電主軸一階固有頻率進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明一階固有頻率和臨界轉(zhuǎn)速比優(yōu)化前分別提高了5.8%與6.4%。并將優(yōu)化后的參數(shù)值替換原有的初始參數(shù)值。（5）通過(guò)計(jì)算得到電主軸的熱邊界條件參數(shù)，將其