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主軸箱是高速立式加工中心最關(guān)鍵的受力部件，它的強(qiáng)度、剛度好壞將直接影響到加工中心的精度和壽命。若采用常規(guī)算法進(jìn)行線(xiàn)性設(shè)計(jì)計(jì)算，則不易給出準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，且無(wú)法了解主軸箱各部位的受力狀態(tài)和變形情況。導(dǎo)致的結(jié)果是增加了結(jié)構(gòu)重量，浪費(fèi)了材料，并且難以提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量和水平。隨著計(jì)算機(jī)與軟件技術(shù)的日益普及和應(yīng)用，有限元分析等現(xiàn)代結(jié)構(gòu)分析方法己受到工程設(shè)計(jì)人員的廣泛認(rèn)同和采用，并取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。分析采用Ansys有限元軟件分析高速立式加工中心主軸箱，為優(yōu)化方案選擇提供可靠的理論依據(jù)。
1、主軸箱有限元分析
高速立式加工中心主軸箱通過(guò)滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)，所以在進(jìn)行有限元分析時(shí)把絲杠和絲杠螺母裝配到主軸箱上，這樣分析的結(jié)果更加客觀(guān)地反映工作時(shí)此結(jié)構(gòu)對(duì)加工精度的影響。
主軸箱主要材料HT300，在進(jìn)行有限元分析時(shí)，對(duì)主軸箱加載力的大小不影響主軸箱的計(jì)算剛度，所以取高速立式加工中心工作時(shí)受三個(gè)方向力的大小分別為：Fx=Fy=100N、Fz=200N。四種類(lèi)型的物理模型是在Solidworks中建立的，在導(dǎo)入Ansys之前，綜合考慮計(jì)算精度的影響及有限元模型的計(jì)算規(guī)模，根據(jù)圣維南原理，對(duì)部分局部特征如倒角、小孔等進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。
2、多孔筋主軸箱有限元分析
主軸箱、絲杠和絲杠螺母在Ansys中粘結(jié)成一個(gè)整體，考慮到主軸箱特征的復(fù)雜性，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，選取6級(jí)精度、solid45單元對(duì)主軸箱、滾珠絲杠和絲杠螺母進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分。對(duì)主軸箱進(jìn)行靜態(tài)分析時(shí)，關(guān)鍵是約束和力加載的位置及方向的選擇是否符合實(shí)際情況，這關(guān)系到有限元計(jì)算的精度，甚至影響到分析結(jié)果正確性。通過(guò)對(duì)此高速立式加工中心工作時(shí)的特點(diǎn)進(jìn)行深入分析，約束主軸箱后壁上四個(gè)安裝滑塊面的x、y向的位移，約束絲杠上下表面的x、y、z向的位移。加工中心工作時(shí)，刀具的受力間接地傳遞給主軸箱，為了更好的模擬主軸箱的受力，分析采取在刀尖的空間位置上建立一質(zhì)量點(diǎn)(單元類(lèi)型為mass21)來(lái)模擬刀尖，把此質(zhì)量點(diǎn)剛化到主軸箱安裝電主軸的下表面上，在此質(zhì)量點(diǎn)上分別加載x、y、z三個(gè)方向的力。
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