数控车床用高速电主轴的结构优化.pdfVIP

学兔兔 第3期(总第166期) 机 械 工 程 与 自动化 No．3 2011年6月 MECHANICAL ENGINEERING ＆ AUT0MATION Jun． 文章编号：1672—6413(2011)03—0070—02 数控车床用高速电主轴的结构优化 王 可，易广建，孙英伟 (沈阳工业大学，辽宁 沈阳 110870) 摘要：通过对某车床用电主轴的支承特点进行分析，建立了其主轴一轴承系统的参数化有限元模型；应用 ANSYS的优化设计功能，以提高电主轴的刚度为目标，取主轴的支撑跨距为设计参数，以第2阶固有频率 为校核条件，对该型电主轴进行了优化，使该主轴的刚度和第2阶固有频率都有所提高。 关键词：电主轴；有限元分析；优化设计 中图分类号：TP319：THI33．2 文献标识码：A O 弓I言 轴刚度最大的就是前后轴承的支撑跨距和主轴前端悬 电主轴作为高速数控机床的核心部件，具有响应 伸量…。其中，主轴前端悬伸量由主轴端部结构、 快、惯性小、振动小等优点，其性能直接影响着加工 前轴承的密封和润滑形式等因素决定 ，很难进行 系统的精度和可靠性。主轴的刚度反映了机床主轴单 改进；而主轴刚度受前后轴承问的支撑跨距影响则比 元抵抗静态外载荷的能力，是表征机床主轴单元性能 较复杂，同时主轴轴体为中空阶梯轴，因此使用传统 的重要指标之一。本文针对某型号数控车床用电主 设计方法来确定支承跨距的最优解是比较困难的。 轴，以提高其刚度为目标，对该电主轴的结构进行了 优化。 1 建立电主轴参数化有限元模型 1．1 电主轴结构分析 某数控车床用电主轴的主轴一轴承系统结构见图 1。主轴轴体为空心阶梯轴，无外壳电机转子通过过 盈衬套和主轴安装在一起，轴承的配置形式为三支撑 结构。两个前轴承分别为角接触混合陶瓷球轴承和双 图 1 电主轴的主轴一轴承系统结构图 列陶瓷混合圆柱轴承，后轴承采用双列陶瓷混合圆柱 1．3 主轴参数化有限元模型的建立 轴承，这样的配置形式既提高了刚度又简化了结构。 在对电主轴进行优化设计前，需要建立电主轴的 两组前轴承之间的距离为0．01 m，前轴承1和后轴 参数化有限元模型。对需要优化的尺寸3、5、6、8 承之间的跨距为0．507 m。可按照结构特点将其划分 段 (见图1)分别用参数 、 ：、 ，和三 来表示。 为12段。其中，第4段的长度由所选用型号的电机 电主轴单元是一种阶梯轴，具有中空、多支承的 转子长度决定，固定为0．31 m。 特点，属于较复杂的超静定梁结构。但由于其结构对 1．2 电主轴刚度的影响因素 称、形状简单，根据弹性力学原理可将其作为弹性梁 影响电主轴刚度的因素主要有主轴前端悬伸量、 处理，并做如下简化：①把轴承作为弹性支承来处 前后轴承的支撑跨距、关键零件的制造精度、前后轴 理；②忽略轴承的角刚度和轴向刚度，只考虑其径向 承的配置方式、轴承的尺寸和精度等级等。一旦电主 刚度；③认为轴承刚度为一固定值，不受轴承转速及 轴的各轴段直径、轴承型号等基本参数确定，影响主 负荷的影响；④把无外壳电机的转子和过盈衬套看作 收稿日期：2010—12一Ol；修回日期：2011-02-16 作者简介：王可(1957一)，男，辽宁丹东人，教授，工学博士，研究方向：复杂曲面数控加工，专用数控装备设计。 学兔兔 2011年第3期