专利名称：一种仿真数控车床主轴的性能预测方法
技术领域：
本发明涉及仿真数控车床，尤其指一种仿真数控车床主轴的性能预测方法。
背景技术：
数控车床是加工制造最基本的设备。随着经济及技术的发展，现代制造企业对车床的生产效率及加工精度提出了更高的要求。为了达到车床更高的要求，必须对车床进行性能与结构的分析。
而轴类零件是车床旋转零件中必不可少的部分，也是容易产生破坏或者产生振动、弯扭变形的部分。轴的设计将影响到轴上各个零件的配合、传动和运转，从而影响整个机构的工作情况。特别是在高速旋转下，轴的设计显的更加重要。
车床主轴在旋转电机的带动下，夹紧工件做高速旋转，在刀具切削过程中受到来自刀具对工件的切削力以及因为旋转或其它外部原因受到的冲击，容易产生破坏或者产生震动、变形。
因此，为了避免主轴工作状态的不稳定性和不安全性，往往需要对主轴进行性能分析和对易损处进行预测，一般沿用材料力学、理论力学和弹性力学所提供的公式来进行分析计算，而其中有许多简化条件，使得计算精度很低。而为了确保主轴的安全可靠运行，常采用加大安全系数的方法，结果使结构尺寸加大，浪费材料，有时还会造成结构性能的降低。
发明内容
本发明旨在提供了一种仿真数控车床主轴的性能预测方法，通过对车床主轴进行性能分析和对易损处进行准确预测，以便加强主轴在其工作状态下的稳定性以及安全性，同时降低制造成本。
本发明所提供的一种仿真数控车床主轴的性能预测方法，包括下列步骤一)建立主轴的有限元模型根据主轴受到刀具对切削工件的切削力作用于其前端，加载至该前端来模拟切削力，进行受力承载；模拟主轴动力端受到的径向制约力，以及主轴受力端受到径向和轴向的制约力；进行单元划分；二)就各单元进行静力学计算，获得主轴轴向应力分布、位移分布和应变分布值；三)就各单元进行模态计算，获得主轴在若干阶振型频率模态下的位移分布值；四)比较步骤三)中的各模态位移分布值，获得两阶频率振动的拐点均位于主轴的后支撑。
在上述仿真数控车床主轴的性能预测方法中，步骤一)中对主轴作去掉上面的退刀槽、倒角以及安装在卡盘一端端面的螺纹孔来进行简化。
在上述仿真数控车床主轴的性能预测方法中，步骤一)中为模拟切削过程，在切削端加一高出端面的锥棒，用以加载到锥棒顶点处来模拟切削力进行受力承载。
在上述仿真数控车床主轴的性能预测方法中，步骤一)中，该模型可以在公知的SolidWorks软件中直接生成。
在上述仿真数控车床主轴的性能预测方法中，步骤一)3)中，主轴单元划分采用四面体单元划分网格。
在上述仿真数控车床主轴的性能预测方法中，步骤二)和三)中静力学计算和模态计算，均使用公知的有限元软件COSMOSWorks来处理获得。
由于采用了上述的技术方案，即利用有限元软件Cosmos对车床静态、模态进行分析，掌握主轴性能和对易损处的准确预测，为机床主轴制造提供参考，以便提高主轴在其工作状态下的稳定性和安全性，降低制造成本。
图1是机床主轴的约束示意图；图2是数控车床主轴的单元划分示意图。
具体实施例方式
本发明，即一种仿真数控车床主轴的性能预测方法，包括下列步骤一)有限元模型建立为了便于分析而不失准确性，可对机床主轴稍做简化。去掉上面的退刀槽，倒角以及安装在卡盘一端端面的螺纹孔。参加图1，为模拟切削过程，在切削端加一锥棒2，高出端面10mm，用来加载切削力，此模型可以在SolidWorks中直接是生成。
1)受力在机床切削过程中，主轴1受到刀具对切削工件的切削力，作用于主轴的前端11，可以加载到锥棒2顶点处来模拟切削力。具体数据可以暂时作为例子取走刀抗力2000N，主切削力6000N，吃刀抗力1500N。
2)约束在车床工作过程中，主轴的动力端12受到圆柱滚子轴承的径向制约，在受力端13受到角接触球轴承径向和轴向的制约。可模拟以上制约在圆锥棍子轴承制约面约束其径向，在球轴承制约面可约束其经向以及其轴向。具体约束模型示意图如图2所示。
3)单元划分有限元模型作为原结构的离散化模型，其好坏直接关系到求解的正确性和精度，主轴单元划分中采用四面体单元划分网格，主轴单元划分共13579节点、7417个单元。机床主轴采用材料为合金钢，取弹性模量为E＝2.1E+11Pa，泊松比为μ＝0.28。在椎棒和主轴的接触面上利用节点相连接，把椎棒和主轴看做一个整体来分析。单元划分示意图如下二)静力学分析根据静力学计算，获得主轴轴向应力分布、位移分布和应变分布值
三)主轴的模态分析通过主轴5阶模态的计算，其中主轴的各态频率依次2749.2Hz、2752.2Hz、3275.2Hz、4687.2Hz、4868.2Hz。
比较重要的是1、2阶振型和固有频率，这两阶频率振动的拐点都发生在主轴的后支撑，这是由于悬臂支撑造成的。
上述步骤二)、三)中，采用现有的有限元方法，该方法是一种用来分析计算复杂结构的极为有效的数值计算方法。有限元方法的基本思想是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象，单元之间通过有限个节点相互连接，然后根据变形协调条件综合求解。由于单元的数目是有限的，节点的数目也是有限的，所以称为有限元法。这种方法灵活性很大，只要改变单元的数目，就可以使解的精确度改变，得到与真实情况无限接近的解。有限元方法为车床的静力学分析，模态分析提供了可靠有力的分析工具。
虽然经过对本发明结合具体实施例进行描述，对于在本技术领域熟练的人士，根据上文的叙述做出的替代、修改与变化将是显而易见的。因此，在这样的替代、修改和变化落入附后的权利要求的精神和范围内时，应该被包括在本发明中。
权利要求
1.一种仿真数控车床主轴的性能预测方法，包括下列步骤一)建立主轴的有限元模型1)根据主轴受到刀具对切削工件的切削力作用于其前端，加载至该前端来模拟切削力，进行受力承载；2)模拟主轴动力端受到的径向制约力，以及主轴受力端受到径向和轴向的制约力；3)进行单元划分；二)就各单元进行静力学计算，获得主轴轴向应力分布、位移分布和应变分布值；三)就各单元进行模态计算，获得主轴在若干阶振型频率模态下的位移分布值；四)比较步骤三)中的各模态位移分布值，获得两阶频率振动的拐点均位于主轴的后支撑。
2.根据权利要求1所述的仿真数控车床主轴的性能预测方法，其特征在于在所述步骤一)中对主轴作去掉上面的退刀槽、倒角以及安装在卡盘一端端面的螺纹孔来进行简化。
3.根据权利要求1所述的仿真数控车床主轴的性能预测方法，其特征在于在所述步骤一)中为模拟切削过程，在切削端加一高出端面的锥棒，用以加载到锥棒顶点处来模拟切削力进行受力承载。
4.根据权利要求1所述的仿真数控车床主轴的性能预测方法，其特征在于在所述步骤一)中，该模型可以在公知的SolidWorks软件中直接生成。
5.根据权利要求1所述的仿真数控车床主轴的性能预测方法，其特征在于在所述步骤一)3)中，主轴单元划分采用四面体单元划分网格。
6.根据权利要求1所述的仿真数控车床主轴的性能预测方法，其特征在于在所述步骤二)和三)中静力学计算和模态计算，均使用公知的有限元软件COSMOSWorks来处理获得。
全文摘要
一种仿真数控车床主轴的性能预测方法，包括下列步骤一)建立主轴的有限元模型根据主轴受到刀具对切削工件的切削力作用于其前端，加载至该前端来模拟切削力，进行受力承载；模拟主轴动力端受到的径向制约力，以及主轴受力端受到径向和轴向的制约力；进行单元划分；二)就各单元进行静力学计算，获得主轴轴向应力分布、位移分布和应变分布值；三)就各单元进行模态计算，获得主轴在若干阶振型频率模态下的位移分布值；四)比较步骤三)中的各模态位移分布值，获得两阶频率振动的拐点均位于主轴的后支撑。本发明利用有限元软件Cosmos对车床主轴进行静态、模态分析，掌握主轴性能和对易损处的准确预测，为机床主轴制造提供参考，以便提高主轴在其工作状态下的稳定性和安全性，降低制造成本。
文档编号G01N19/00GK1979120SQ20051011135
公开日2007年6月13日 申请日期2005年12月9日 优先权日2005年12月9日
发明者邵玉珍, 王幸生, 童刚, 王颖, 刘晓东 申请人:上海电气集团股份有限公司