基于有限元方法的主轴轴承跨距优化new

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1、中国科技论文在线http://www.paper.edu.cn机械设计与制造第1O期一44一MachineryDesign&Manufacture2005年10月文章编号：1001—3997(2005)010一o044—03基于有限元方法的主轴轴承跨距优化装大明冯平法郁鼎文(清华大学，北京100084)OptimumdesignofspindlebearingsdistancebasedonFEMPEIDa—ming，FENGPing—fa，YUDing—wen(TsinghuaUniversity，Beijing

2、100084，China)【摘要】通过建立包括轴承结合面在内的主轴龙门式数控镗铣床主轴部件的静刚度，并通过静冈环境下利用APDL语言实现有限元模型的参数化，关键词：有限元方法；主轴轴承跨距；优化设计；参数化【Abstract】Throughsimulatingthebearingsfunction．theFiniteElementModelofthespindleoftheNCgateboring—milingmachineisestablish．andanalysisofitsstaticrigidityisdo

3、ne．ThecalculationresultcomparedwiththeresultofthestaticrigidityphysicalexperimentitisindicatedthattheFiniteElementModelisvalid．ParameterizingtheModelusingADPLinANSYSoptimumdistancebetweenthetwobear—ingsonspindleisobtained．：；Keywords：FEM；Spindlebearingsdistance

4、；Optimumdesign；Parameterization；．．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯⋯．．一⋯．．⋯．⋯．⋯．．⋯．．⋯．⋯．．一⋯．；中图分类号：O241．83，TH1333文献标识码：A1引言卜1+鲁)=o主轴部件最佳支承跨距的计算，是机床主轴部件设计讨论式中：卜一主轴支撑跨距，mill；最多的基本问题之一。目前通常的做法是将主轴部件简化为2口一主轴悬伸长度，mill；支承的简支梁，根据材料力学中变形位移线性叠加原理，从而C，c2一前后支承径向刚度，N／p~m；得到公式【1】E一主轴材料的弹性模量，N／mm：

5、；-k来稿日期：2oo5一O2—25卜主轴两支承截面内平均抗弯惯性距，mm‘。加速、减速、停止。驱动滚筒旋转完成剪切工作。根据剪切的铝采用直流数字控制系统的飞剪定尺精度在±2～±5mm之间，板厚度不同，旋转操作侧剪刃间隙调节油缸头部的螺栓，使剪现在采用交流伺服控制系统定尺精度在±0．5mm以下。刃间隙满足剪切的要求。(2)可以实现任意的定尺长度老式飞剪只能剪一个长度定尺或这个长度的倍尺。新式飞剪采用计算机控制启动工作制，可以剪切任意定尺长度。(3)生产效率高普通停剪机组速度为30m／min，年产量在5000～800

6、0吨。老式飞剪机组速度不超过60m／min，年产量在10000吨左右。滚筒飞剪的机组工作为120m／min以上，年产量在15000吨以上。(4)结构简单老式飞剪有传动机构、减速机、空切机构、剪切机构等几大部分，机构庞大，转动惯量大，制造成本高。新式飞剪只有传动、剪切两部分，结构简单制造和装配成本降低。(5)控制先进老式飞剪由直流模拟控制加减速、机械变档实现剪切。或直流数字控制实现剪切，新式飞剪由交流伺服控制实现剪切。控制手段更先进，检测精度高，反应速度快，定尺精度提高。图6飞剪本体结构图参考文献6新式滚筒飞剪的优点

7、1周国盈编著，带钢精整设备一机械工业出版社．1999．(1)定尺精度高2UuicoInc，数字信号处理器交流矢量控制旋转切刀系统．2003．采用模拟控制系统的老式飞剪定尺精度在±10mm以上转载第10期中国科技论文在线裴大明等：基于有限元方法的主轴轴承跨距优化http://wwww.paper.edu.cn一45一但是由于主轴一般都是阶梯轴并且端部带锥孔(安装sK的一端与主轴上的节点(即图3a中的T5、T6、17、1、8四个节点)或SHK刀柄)，所以由公式(1)得到轴承最佳跨距的精确解是困相连结。另一端(即图3a中

8、的Tl、他、乃、T4四个节点)为完全难的。今天计算技术的发展，特别是有限元方法的成熟为我们固结，每个径向刚度取为Kr／2(Kr为单列推力球轴承的径向刚提供了一种方便快捷得到主轴轴承最佳跨距精确解的有效手度。主轴前支承的4列向心推力球轴承采用4次相同的径向弹段。这里从静刚度出发建立主轴有限元模型，通过静刚度实验簧分布方式进行模拟，见图3b。对于向心推力球轴承同