基于UG的主轴箱底座有限元分析设计

团固匹疃趸殛　仿真，建耀ＩＣＡＤＩＣＡＭＩＣＡＥＩＣＡＰＰ　基于ＵＧ的主轴箱底座有限元分析设计　王伟顺。董学哲　（齐重数控装备股份有限公司，黑龙江齐齐哈尔１６１００５　摘要：以某重型数控卧车主轴箱底座为研究对象，基于有限元软件进行建模和力学分析，研究了重型数控卧车主轴箱　底座在实际工况条件下的载荷分布及受力变形情况，对铸件、结构件、外壁减薄结构件接触分析和约束分析，得到结构　优化方案，为重型数控卧车主轴箱底座设计结构改进和优化提供了参考。　关键词：重型数控卧车主轴箱底座：模态分析　中图分类号：ＴＰ　３９１．７　文献标志码：Ａ　文章编号：１００２—２３３３（２０１４）１０—０１６ｇ一０３　Ｆｉｎｉｔｅ　Ｅｌｅｍｅｎｔ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ａｎｄ　Ｏｐｔｉｍａｌ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｈｅａｄｓｔｏｃｋ　Ｂｏｔｔｏｍ　ｂａｓｅ　Ｕｓｉｎｇ　ＵＧ　ＷＡＮＧ　Ｗｅｉｓｈｕｎ．ＤＯＮＧ　Ｘｕｅｚｈｅ　（ＱｉｑｉｌｈＩｌ’ｔｔｅｍ，ｖ（：ＮＣ　Ｅｑｕｉｌ”ｌｌｒＩｌｔ　ＣｍＩ）ｏｌａｔｉｏｎ　Ｉ　ｉｍｉｌｅｄ，Ｑｉｑｉｈｍ’Ｉ６１００５．Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｉｌｌｉｌｅ　ｅｈ　ｎｌｅｎｔ　ｓｏｉｌＷ￣．ＩＩ’ｔ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ａｍｌ　Ｉ］ｌｆ　（。ｈａｎｉ（‘ａｌ　ａｎａ１ｙｓｉｓ　ｔｌＩ‘ｒ　ＵＳｆ＇（１　ｔｏ　ｏｂｔａｉｎ“　ｌｏａｄｉｎｇ　ｄｉｓｐｏｓａｌ　ｔｌｌｌｄ　ｓＩｌ　ｓｓ　ｔｒａｎｓｆｍ－ｉｎａｌｉｏｎ　ｓｌｔｌｔｕｓ　ｔｌｌｌｄｆｑ・ａ　ｆ　（・Ｉ　ＷＯＩ，ｋ　ｓｔａｔｅ　ｏｔ’ｈｅａｖｙ　ＣＮＣ　ｈ（ｎ・ｉｚｏｎｔａｌ　ｈｅａ，Ｉｓｈ）（・ｋ　ｂａｓｅ．ａｎｄ　ｔｈｅ　ｏｐｔｌｆｌ１ａｌ　ｓ（・ｈｅｍ，　ｉｓ　ｏ］）ｌａｉｎｅｄ　ｈｖ（，ｏｎｔａ（・Ｉ　ａｎｄ　ｔ・ＯＩＩＳｔｌ—ａｉＩＩ￡ｌｌｌｔｌｌ、・ｓｉｓ　ｏｆ’（．ａｓｔｉＩｌｇ　ａｎ【Ｉ　ｓｔｔ・ｔｌ（・ｌｕｌ・ａｌ　ａｎｄ　ｔｈｉｎ　ｏｔｌｔ（￣ｌ・ｗａｌ１‘・０１１１］）０１１（、Ｉｌｌｓ．ＴＩ．－ｎ・ＳｌｌＩＩｓ　ｌ１ｒＯＶｉｄｅ　ｌ・Ｐｆ　Ｉ・Ｐ　ｒ】ｔ・ｔ　ｆ．【’ｒ　ｈｅａｖｙ　ＣＮＣ　ｌｕ，‘ｉｚｏｎｔａｌ　ｈｅａｄｓｔｏｃｋ　ｂａｓｅ　Ｓｌｌ＇ｔｌ（：ｌＵｌ＇ｅ　ｄｅｓｉｇｎ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｈｅａｄｓｔｏ（・ｋ　１）　ｔ－（　ａｖｖ　ＣＮＣ　Ｉ１ｆＩｒｉｚｏｎｌａｌ　ｌａｔｈｅ：ｎｍｄｅｌ　ａｎａｌｙｓｉｓ　０引　言　泊松比为０－２８　结构件　材料选为铸钢根槲相　轴箱底　足机』术喧婴的支承部件．．起荇承受力和　ｌ一精度和＂ｔ－Ｊ　效牢，所以要求其其　足够的动、静态刚　度。该主轴箱底座是筋板式结构，小计算方案为铸件、结　构件和薄结构件　种方案　为＿『保ｈｌ！￣ＪＬ『术具　良好的动、　纳各种零部件的作用，它的动态性能卣接影响机『术加　关资料，铸钢的质破密　度为７．８ｘ１０３／ｎ１　；弹性模　量为ｌ５５　ＧＰａ；泊松比为　０．２８。　静态性能，ｊ玎：　ｎ『能减轻其　瞳，必须进　有限　分析计　算，以寻求既满址机Ｊ未精度．义能　有高悱价比的最ｆ　Ｅ结　构设　‘方案　现利用ＵＧ的结构分析模块，刈　陔　轴箱底座馍块　２．，　定义约柬　辛轴箱底座通过地　脚螺栓　ｊ地＿ｎｆ连接，约　束ｒ主轴箱底Ｊ世　方向的移动以及绕＿Ｙ、　铸件、结构件以及外壁减薄的结构件进行有限　分析，计　算陔零件的　有频率、静态刚度，为没汁修改干¨实际生广：　用提供一定的　沦依据　。　１　主轴箱底座结构方案计算分析　１）建●　ＪＬ｛ｉ＇Ｉ模　，＇，、　轴的转动，为ｒ模　拟实际ｌ　况．边界处　时，将丰轴箱底座　ｊ螺　栓结合而进　个＝约　。　２．２主轴箱底座的受力　状态　：这　分析的是重　卧车主轴箱底　川ｊ＝雨人专项项Ｈ数控重，　卧』Ｉ＝镗＿乍床，…于陔零件　结构复杂，』行以川ＵＧ软件进行　维实休建模　利刚ｕ（　软件建　的＿丰轴箱底　几何模型、铸件、结构件、外壁减　薄结构件如　ｌ所永．．　２）有限元网格划分　选Ｊ｛｛ＵＧ软件结构分析模块提　花　质　为　ｌ　８．５　ｔ，最大Ｊ　件质　为　２００　ｔ，丰轴箱质量为　５３．５　Ｉ，¨１　作状念以及丰　供的四而体　元对丰轴箱底　进　网格划分，得到仃限　已模型。　轴箱底座的受力简　见　２。　２定义材料属性　丰轴箱底座足支承件Ｉ｛】ｎ勺币婴部件，其住一Ｉ＿　作时承　受主轴箱、亿盘及ｌ　件的　人压力，必须具　ｒ较高的强　度，所以铸件材料选为灰铸铁…、２５０　根据棚关资料，　ＨＴ２５０的质量密度为７．３ｘｌ０３ｋｇ／ｍ　；弹性模量为１　ｌ０　ＧＰａ；　基金项目：黑龙江省杰出青年科学基金资助项目（ＪＣ２０１３１８）　图中主轴箱底　承　受的均　载荷Ｐ＝Ｐ。＋　．Ｐ　为７Ｒ受　轴箱币量的均布载　荷，大小为５３．５　１．１）２为承受花　ｊ　１　什重　的均　载荷，　大小为６７．５　ｔ；除此之外，花盘　１＿件分别对丰轴箱底　具仃弯　的作『｝ｊ，ｆ｝１　Ｊ＝ＬＩＧ的　－ｌａｒｉｏ模块的四而体单　Ｃ　机械工程师２０１４年第１０期　１６９　圃固匹疃疆殛　仿真，建耀ＩＣＡＤＩＣＡＭＩＣＡＥＩＣＡＰＰ　表ｌ主轴箱底座自身刚度计算结果表　方案　铸件　结构件　质鲢／Ｉ　ＦＩ重变形／ｎｆｉｌｌ　报夫　坚形（　阳）最火　彤（ＭＡ‘　／ＩｌＩｌｌｌ　／ｍ『ｌｌ　３４．５　一（）．００３　７７２　２７．５一（）．００３　３２９　一（）０９２　５８　—０．１０６　２０　《）．０９８　４９　０　Ｉ　Ｉ９　４０　薄　结构件２０．２—０．００３　０６６　—０　１０７　８０　０．１３４　Ｏ０　盘和丁件的均　载荷的变形　只支持平面自『扣度，力矩载荷不能应用于＝ｉ维单元，所以　如　３所，Ｊ０通过仃限　元分析，铸件ｚ方向最夫变肜量约为０．０９２　５８　ｍｉｌｌ，ＭＡＧ　最大变形量约为０．０９８　４９　ｎｌｎｌ，结构件　方向最大变形量　约为０．１０２　６　ｎｌｉｌｌ，比铸件人１０．８％，ＭＡＧ最大变形量约　将力矩转化为等效力偶加载在丰轴箱底座的前后沿上，　经计算力的大小为　＝　≥３　ｌ　ｔ。　３主轴箱底座结构方案有限元分析数据　ｊ．，机床主轴箱底座静态分析　为０．１】９　４　ｍｉｌ１．比铸件大２１．２％溥　结构件Ｚ方‘阳最火　变形量约为０．１０７　８　１１３１ｎ．比铸件火ｌ６．４％，比厚　绡　件　大１．５％，ＭＡＧ最夫变形量约为０．１　３４［１１ｑｉｌ，比铸件火　机床ｌ　作时，　轴箱底座受到ｌＩ　件和花盘的压力作　厢以及分圳埘　轴箱的弯距，丰轴箱底座ｌ＝表面承载＝｝三　３６％，比厚壁结构件大ｌ　２．２％　南分析数据和变形　可以开…．无沦是铸件、结构　轴箱质量５３．５　Ｉ的均　载倚以及花盘和＿ｒ　件作用于它的　均佰载荷ｌ２７．５　Ｉ，将弯　转化为等效力偶之后，大小为　３１　ｔ的力ＪＪＩＩ载　主｝１１ｗ　箱底座的前后滑　ｌ所乐　件还是薄壁结构件，变形　坡人的化　坫水一敛，　ｌ　表　，　负方向的第　条ｆ１Ｊ第　条筋板之『几Ｊ　ｙ’负力‘…　３），ｒ－朋ｎ发处为最薄刺的　ｒ｝１模　ｕ丁　ｉ发处清砂孔较火．即阳筋板　跨距较大．　，汁算结果如表　一条筋板的交’？Ｉ：处附近（　，机　轴箱底　的总位移云　、承受　轴箱以及化　建议加筋　曩　髓　趣：＝：：：　羹　匿西西　燕　ｊｉｉ嚣　囊　兰＝亳　：鬻　图３主轴箱底座的总位移云图　．２机床主轴箱底座模态分析　态分析，振型图如罔４、Ｉ皋Ｉ　５、Ｉ　６所示　主轴｛彳Ｉ底　模念　分析后的结果见表２。　南以卜振型图可以看　铸件、结构件、薄　结构件的　机床丰轴箱底座模态分析主曼分析主轴箱底座的　台频率和振型，其作用为：避免『术身受载后发生共振现　象，同时也是进行其他动力学（响应谱）分析的起点。　于　低阶模态对振动系统的影响较大，因此现分别¨　算了主　轴箱底座铸件、结构件、薄壁结构件的前＝　阶模态，经模　表２主轴箱底座模态计算结果表　第一阶　力‘案　探型相似，第一阶振型为弯【Ｉ１１振｝　．第二阶振　为弯ｆｌｌ１撩　型，第ｌ二阶振删为扭转振Ｊ　；　大变形　的化置十ｌＩ似　，　一阶频　为　４为铸件辛轴箱底座前　阶振　Ｉ１　ｌ４　Ｈｚ，住陔振型下主　ｉｌ箱底座的最＿人变形为０．２０８　４　ｌｌｌｎ／；　第二阶频率为ｌ３０．６　Ｈｚ．住陔振型下丰轴箱底　的最大　第ｉ阶　第二阶　变形为０．２０５　ｌ　ｌｎｌｎ；第　阶频率为ｌ６９．４　Ｈｚ，　该抓Ｊ　ｑ－　主轴箱底座的最大变形为０．Ｉ４７　６　ｌｎｌｌｌ　罔５为结ｆ｛１Ｊ件手　阎有频率最夫振幅　有频率最大振幅吲有频率最大振幅　ＩＨｚ　／ｍｍ　／Ｉｈ　／ａｍ　ｒ／Ｈｚ　／ｍｍ　轴箱底座前三阶振型图，第・阶频率　Ｉｌ９．８¨ｚ．　陔抓　型下主轴箱底座的最大变形为０．１　８２　５　ＩＩＩｍ；第　阶　率　为１４９．１　Ｈｚ，在该振剐下卞轴牟ｆｉ底座的最人变】　为　铸件　结构件　薄壁结构件　０．１８２　４　ｍｎ１；第ｉ阶频率为１９１．２　Ｈｚ．　陔抓，　下｛　轴符　１７０　机械工程师２０１４年第１０期　圃固四匣团哩　仿冀，建赣ＩＣＡＤＩＣＡＭＩＣＡＥＩＣＡＰＰ　底座的最大变形为０．２０３　３　ｌｌｌｎｌ　６为溥壁结构件丰轴　面反变形』ＪＩｌ　Ｌ　［Ｊ】．机械ｒ　ｌＪ『１ｊ，２０Ｉ　３（６）：ｉ２２一ｌ２３．　箱底座『ｊｉ』　阶振　罔．第一阶频率为１２４　Ｈｚ，在该振型下　【２ｊ许昆半，张力，余光怀．火　数控　ｔｌ转Ｉ　作台台　拼接技术［Ｊ］．　制造技术　机Ｊ禾．２０１　３（８）：８６—８８．　辛轴箱底座的最人变形为０．２ｌ４　３　１３１Ｉｌｌ；第二阶频率为　Ｉ　４６．８｝１ｚ，　陔振　下　轴箱底座的最大变形为【ｌ　２０３　８　ＩｌｌＩｎ；　第　阶顿率为ｌ９１．５　Ｈｚ，　变形为０．１　３　ｌ　５　Ｉｌｌｌｌｌ　３　ｊ汗俊【　，ｈ正德，数挖　ｌ转ｌ　作台结构没计［Ｊ］．机械［程师，　２０１　２（】０）：ｌ　５５—１５７．　陔振　下＝　轴牟ｆ；ｉ底　的最大　［４ｊ刘晓玲。汀崇Ｋ．重　，ＸＡ１　铣复合机Ｉ术回转Ｉ　作台研究［Ｊ］．　机械ｒ：程师．２（）ｌ４（Ｉ）：ｌ　７２一ｌ７３．　…汁算数槲ｒＩｆ　Ｉ，结构件≠轴箱底座　有频率人于　铸件丰轴箱底座，　溥壁丰轴箱底座村Ｉ差不大　４结论　ｉ　５　Ｊ孙德洲．采用双楔环一钢球定化的新　叫转ｑ－￣ｌｆ－台［Ｊ　Ｊ．组合机床　‘ｊ自动化ＪＪＩ　ｌＩ　技术，２００５（４）：８２一ｇ４．　１）铸件　轴箱底Ｊ　的汁算质　为３４．５　ｔ＝结构件主轴　箱底　的｛ｆ‘算质　为２７～ｔ、薄壁结构件主轴箱底座的汁　算质戢为２０．２　ｔ　［６ｊ许　，余光怀．罗永俊．回转ｌ－ｆｌ台静　ｉ导轨设计［Ｊ］．机床与　液　，２０ｌ　３（１）：８０—８３．　１７ｊ赵群．加ｌ　中心　转Ｉ　作台部件的纳构分｛＝Ｊｉ＿［Ｊ］．现代制造Ｉ　程，　２００２（５）：３５—３６．　２）…静念分析汁算数据可知，铸件主轴箱底座的变　形｛ｌ｝最小，Ｉ＇Ｉ身静态刚度最好；结构件主轴箱底座（壁厚　为４０　ＩｌｌｌｌＩ）的变形　较铸件丰轴箱底座（壁厚为４０　ｍｌｒ１）　人．结构件丰４１ＩＩ牢ｆｉ底　（　厚为２０　ｎ｜ｌｎ）的变形　较结构　件　轴　底　（壁厚为４０　Ｉｌｌｌｌ１）大＇冈０度较铸件事轴箱底　１　８］￣＇ａｎｇ　Ｗｅｉｓｈｕｎ．Ｉ）ｅｓｉｇｔｌ　ａｎｄ　ＦＥＭ　ａｎａ１）。ｓｉｓ　ｏｆ　ａ　ｌａｒｇｅ　ｔｕｒｎｉｎｇ　ｔａｂｌｅ　Ｉ　Ｊｊ．Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｍｅ（・ｈａｎｉ（・ｓ　ａｎｄ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２０ｌ４，４９４—４９５：　６０６—６】Ｏ．　（编辑昊　天）　焊接什＝　轴ｊ彳ｉ底　差　［参考文献］　【Ｉ　Ｊ　¨　．　、厂－ｆ　．Ｊ．¨　¨　ｊ　验棚结合的　４－：横梁前Ｆ导轨基　作者简介：王伟顺（１９７３一），男　高级工程师，硕士研究生，从事技术　研发工作　收稿日期：２０ｌ４—０６—０９　机械工程师２０１４年第１０期　１　７１