高速磨床主轴单元动态特性的仿真分析
 

摘要：利用ansys 软件对电主轴进行了较准确的三维建模，并对电主轴进行了模态和谐响应分析，获得了电主轴的固有频率、振型和临界转速等动态特性，通过分析仿真数据得知电主轴的最高工作速度远远低于临界速度，从而能有效地避开共振区。进一步对电主轴不同部位的动态位移响应进行仿真，通过分析计算频率-位移曲线的数据得知电主轴在其工作频率范围内具有良好的动刚度，能满足精加工的要求，验证了电主轴结构设计的合理性。
 

关键词：ansys；电主轴；动态特性；仿真分析

0 引言
随着科技的发展及生产的日益现代化，现代社会对工件磨削质量的要求越来越高，传统的平面磨床已经越来越不能满足精度的要求。现代磨床开始朝着高速度、高刚度的方向发展，要保证高速砂轮能够安全可靠的工作，所加工的零件具有较高的精度，主轴就必须具有良好的动态特性。因此，必须对高速磨床的主轴进行动态特性研究。
 

由于计算机技术应用的日益广泛，现在对高速主轴系统的动态研究一般都采用虚拟的弹性动力学研究方法即借助大型的有限元分析软件对样机的模型进行二次建模得到其力学和数学模型，从而求得样机的某些动力学特性和参数[1]。美国普顿大学的Bert R、Jorgensen 和Yung C. Shin 推出了一个包括热变形的轴承载荷变形模型，并与离散的主轴动态模型结合在一起，这一模型可以得到主轴固有频率、轴承刚度和热变形的较准确的结果[2]；Kuwait 大学的Mohammed. A. Alfares 研究了角接触轴承轴向预紧力对磨床主轴动力学性能的影响，在忽略了离心力和任何阻尼影响的情况下，建立了五自由度磨床主轴的数学模型[3]；大连理工大学的肖曙红利用有限元结合迭代的方法，编制了主轴部件静动态特性分析软件[4]；浙江大学的蒋兴奇在考虑轴承载荷和变形的非线性特性及摩擦热影响的情况下，建立了主轴变形和固有频率的计算模型[5]。这些研究方法具有传统理论计算方法无法比拟的优点，如节省投资，缩短产品开发周期等。
 

本文主要利用ansys建立电主轴较准确的三维模型，然后先对电主轴模型进行了模态分析，获得电主轴前六阶的固有频率、振型和临界速度，分析结果数据得知电主轴在其工作速度内能有效地避开共振区。接着对模型进行了谐响应分析，获得电主轴不同部位的动态频率-位移曲线，分析数据曲线可知电主轴在其工作频率范围内具有良好的动刚度，能满足精加工要求，进而验证了电主轴结构设计的合理性。

3 结论
本文应用 ansys 有限元分析软件对高速磨床的电主轴进行了模态分析和谐响应分析，完成了主轴的动态特性分析。分析结果表明此电主轴的一阶临界速度为90360r/min，远远超过电主轴的最高工作速度15000 r/min，有效地避开共振区。同时，当激振频率小于1486Hz 时，主轴具有良好的动刚度，满足精加工的要求。
 

[参考文献] (References)
[1] 胡秋，腾强.数控机床高速主轴单元动态特性仿真分析[J].机床与液压，2007,35（1）：204-206.
[2] Bert R,Jorgensen,Yung C.Shin.Dynamics of Machine Tool Spindle/Bearing Systems under Thermal Growth[J].Journal of Tribology,1997,119(10):876-882.
[3] Mohammed.A.Alfares, Abdallah.A.Esharkawy.Effects of Axial Machine Spindle Angular Contact Ball Bearing
on the Dynamics of a Grinding Machine Spindle System[J].Journal of Materials Processing
Technology,2003,136:48-60.
[4] 肖曙红.前支撑为三联角接触球轴承的主轴组件的性能分析和简化计算[D].大连：大连理工大学，1994.
[5] 蒋兴奇.主轴轴承热特性及对速度和动力学性能影响的研究[D].杭州：浙江大学，2001.
[6] 刘延柱，陈文良，陈立群.振动力学[M].北京:高等教育出版社,1998.