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基于ANSYS的龙门加工中心主轴箱模态特性分析及优化研究

陈鹏  
【摘要】:PM1220HA机床是目前我国工业生产中应用的较多的一款高速龙门加工中心,某机床公司基于PM1220HA的结构特点和设计思想,结合实际工作中的应用需求,设计出了一款转速高达18000~20000rpm的电主轴高速龙门加工中心,定义型号为PM1220V,主要应用于高速切削加工领域,同时具有高柔性、高精度、高稳定性等特点。由于高速加工对机床的静动态特性提出了非常高的要求,为了验证该机床设计的合理性,以及更进一步实现轻量化,本文以此款高速龙门加工中心主轴箱为研究对象,使用有限元分析软件ANSYS针对主轴箱部件进行了详细的工作状态特性分析,包括静力学分析和模态特性分析,并利用OptiStruct软件进行了结构优化。对比优化前后主轴箱静动态特性并采用锤击法实验对比优化前后主轴箱的振动特性,结果显示,结构优化后主轴箱的刚度提高了1%-8%,结构的固有频率提高了6%-18%,主轴箱部件的总重量减轻45KG,减重率达到7.8%,实现轻量化,节约了材料和成本,提高了经济效益。本文首先根据该加工中心的实际情况,利用三维建模软件Pro-E建立了主轴箱的三维实体模型。其次利用有限元分析软件ANSYS进行静力学分析,结果表明静力学特性良好;并在此基础上进行了模态分析,得到主轴箱的前六阶固有频率以及相对应的模态振型,并且通过对主轴箱工作激振频率和固有频率的计算分析,确定结构不会发生共振现象,静动态特性良好,验证了设计的合理性。最后为了实现该机床主轴箱的轻量化,使用OptiStruct软件对该主轴箱进行了拓扑优化设计,优化设计的效果得到了体现。分析、评估优化后的主轴箱静动态特性,并与优化前进行对比,整体刚度和固有频率均得到了提升,保证了机床在高速加工工况下的稳定性。本文对此类以及其他一些类型机床的进一步研究奠定了基础。


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