２０１４年２月 第１４卷第１期 廊坊师范学院学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌａｎｇｆａｎｇ Ｔｅａｃｈｅｒｓ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒｌａ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） Ｆｅｂ．２０１４ Ｖｏ１．１４ Ｎｏ．１ 基于ｓｏｌｉｄ ｗ ｏｒｋｓ的车床主轴受力分析 方俊芳 ，张【摘岩 （１．安徽水利水电职业技术学院，安徽合肥２３１６０３；２．安徽合力股份有限公司，安徽合肥２３００００） 要】 车床主轴的强度、刚度、稳定性对车床加工质量起决定性的作用。利用ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ软件分析 车床主轴，确定应力集中区，从而为维护改造旧车床设备提供理论依据。 【关键词】 车床主轴；ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；维护改造；有限元方法 Ｔｈｅ Ｓｔｒｅｓｓ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｌａｔｈｅ Ｓｐｉｎｄｌｅ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ ＦＡＮＧ Ｊｕｎ－ｆａｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｙａｈ 【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｔｈｅ ｌａｔｈｅ ｓｐｉｎｄｌｅ’８ ｓｔｒｅｓｓ，ｒｉｇｉｄｉｔｙ，ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｒｅｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐａｒｔｓ．Ｕｓｅ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｏｆ ｓｏｌｉｄ・ ｗｏｒｋｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｌａｔｈｅ ｓｐｉｎｄｌｅ，ｅｎｓｕｒｅ ｔｈｅ ｒｅｇｉｏｎ ｏｆ ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ．Ｓｏ ｉｔ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｒ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｏｌｄ ｌａｔｈｅ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ． 【Ｋｅｙ ｗｏｌｄｓ】ｌａｔｈｅ ｓｐｉｎｄｌｅ；ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｒ ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ；ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ［中图分类号］ＴＢｌ１５ ［文献标识码］Ａ ［文章编号］１６７４—３２２９（２０１４）０１—００４３—０３ ０引言 传统的零部件设计是根据强度理论验算一根轴 上最薄弱环节需要的最小尺寸，其余尺寸根据装配 １主轴受力分析 图１是Ｃ６１４０机床主轴简化受力图，根据机床 传动原理＿ｌ 知道７．５Ｋｗ主电机的运动通过低速运 要求设计。现代设计可以借助计算机技术，利用有 限元分析软件，直接将零件材料、所受载荷、约束条 件等相关信息赋予零件模型，利用软件模拟、运算功 能得出相关的应力、应变、位移等云图，从而判断设 计结果的可靠性。这种方法即有限元分析方法，比 起传统的设计方法，有限元分析更加高效、精确、 动路线由斜齿轮传递到主轴，根据公式 ： 一卫．× ． 凡 式中： ——扭矩，单位Ｎ・ｉｎ； ｐ——电机功率，单位Ｋｗ； 刁——传动效率； ｎ——主轴转速，单位ｒ／ｍｉｎ。 节约。 由于主轴的输入功率基本恒定，皮带传动效率 取０．９５，每级齿轮传动效率取０．９８，到达主轴总的 合力股份有限公司有一批上世纪８０年代沈阳 机床厂生产的Ｃ６１４０型车床需要维护改造，对部分 机床主轴部件重新设计生产，为满足使用要求，对原 有主轴进行有限元分析，获得较精确数据，为改造生 传动效率刁＝０．９５×０．９８ ＝０．８５，因此，主轴的扭 矩大小与主轴转速成反比。Ｃ６１４０车床主轴转速范 围为４０～１４００转，取ｎ＝４０ｒ／ｍｉｎ，可算得主轴所受 最大扭矩为１６１１Ｎ・ｍ。 产提供可靠依据。 ［收稿日期］２０１３—１２—０６ ［基金项目］安徽省教育厅重点研究项目（２０１２ｊｘｘｍ７３３）；安徽水利水电职业技术学院校级教科研项目（２０１４ｘｊｋｙ０９） ［作者简介］方俊芳（１９７４一），女，硕士，安徽水利水电职业技术学院讲师，研究方向：机械电子工程。 ・４３・ ２０１４年２月 廊坊师范学院学报（自然科学版） 第１４卷・第１期 ｏｏｌｔ ＮＯ．６ 图１ Ｃ６１４０机床主轴简化受力图 ２ 主轴的约束与载荷条件 车床主轴箱内传动轴转速较高，从图１可知主轴 有三个支承点，前后支承为主支承，中间支承为辅助 支承。根据文献［２］，可以将三支承结构转化为两支 承，辅助支承处为受力点，受力简化模型如图２所示。 处理时间，提高软件分析效率，对模型结构作以下简 化处理＿３］： （１）阶梯轴过渡处简化处理，忽略倒角、螺纹退 刀槽尺寸； （２）轴上尺寸较小的工艺孔、注油孔、键槽等忽 略不计； （３）主轴作为弹性元件处理； （４）主轴上较窄零件，如齿轮、锁紧螺母、中间 隔套处对轴的作用力简化成集中力。 画出主轴三维模型，将ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ进 行主轴受力分析。 ３．２ 材料属性 图２ Ｃ６１４０机床主轴力学简化模型 车床主轴选用４５号钢调质处理，弹性模量 ２０５ＧＰａ， 白松比０．２９，质量密度７．８５ｋｇ／ｍ ，张力强 度６２５ＭＰａ，屈服强度５３０ＭＰａ。 ３．３ 划分网格 图２中１，２处为前后支承，３处为辅助支承点， Ｆｒ，ｎ分别表示主轴上斜齿轮所受轴向分力和切向 分力， 为ｎ对主轴产生的扭矩， 表示主轴右 端面受到的切削抗力（车床中主切削力消耗功率最 大，其余可以忽略），图中尺寸：ｚ＝６５０ｍｍ，ｚ ＝ ３３０ｍｍ，ｂ＝２００ｍｍ，ｎ＝１０７ｍｍ。 对车床主轴采用中等网格划分，六面体结点戈Ⅱ 分，节点总数１７２７７，单元总数８６９９，如图３所示。 切削过程中主轴处于平衡状态，因此 ＝＝ Ｔ＝１６１１ Ｎ・ｍ。根据斜齿轮尺寸，可以推导出 图３ Ｃ６１４０机床主轴网格图 Ｆｔ＝１３４２５Ｎ，Ｆｒ＝４８８６Ｎ。 车床主轴校核的最重要的因素是强度和刚度。 下面利用三维建模软件ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ和有限元分析软 件ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ分析该主轴的承载能力。 ３．４ 有限元分析后置处理［４】 ３．４．１ 应力云图（见图４） ３．４．２ 位移云图（见图５） ３ 主轴有限元分析的前置处理 ３．１ 模型建立 ３．４．３ 结果分析 （１）从应力云图可知，主轴的最大ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ为 ３７ＭＰａ，其安全系数为１４．３，设计强度裕量较大，可 先利用ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ软件建立三维模型，为减少 ・４４・