基于ANSYS Workbench的数控插齿机主轴分析

杨世成，王海文，郭 卫

(1.张家口职业技术学院，河北张家口075051;2.西安科技大学，陕西西安710054)

基于ANSYS Workbench的数控插齿机主轴分析

杨世成1，王海文2，郭 卫2

(1.张家口职业技术学院，河北张家口075051;2.西安科技大学，陕西西安710054)

采用ANSYY Workbench对数控插齿机主轴进行有限元分析。在软件DM中建立主轴模型，利用软件的自动划分网格技术划分网格，并施加载荷和约束、求解;利用输出的主轴的正应力曲线、主轴总变形和主轴在Y方向的变形曲线对主轴性能进行分析。

ANSYS;插齿机;主轴

引 言

数控插齿机是加工齿轮的重要工艺装备，在加工内齿圈、多联齿轮等方面，具有滚齿加工所不具备的优势。数控插齿机主轴是数控插齿机中关键零件之一，主轴的强度、刚度对齿轮加工有重要影响。利用机械CAE技术对机械零部件进行性能分析可以缩短产品研发周期，节约产品研发费用。

有限元分析技术是机械CAE技术的重要组成部分，在众多的有限元分析技术中，美国ANSYY公司开发的ANSYY Workbench为有限元分析提供了一个较为完善的平台，该平台不仅集成了有限元分析所需要的操作模块，而且对机械可以进行结构、流体等耦合分析。本文采用

1.2 主轴建模

主轴零件表面为回转体，可以直接在ANSYY ANSYY Workbench 12.0对数控插齿机主轴进行性能分析。

1 主轴有限元模型的建立

主轴有限元模型是在主轴建模基础上进行网格划分后得到的。因此主轴有限元模型的建立过程是：首先确定主轴的结构和尺寸，对主轴进行建模，然后对主轴进行网格划分。

1.1 主轴结构和尺寸的确定

数控插齿机主轴结构与普通插齿机主轴结构类似，主轴一端安装轴承和蜗轮，主轴中间与让刀机构中的滑动套相连接，主轴另一端的莫氏锥孔安装接刀套(主轴莫氏锥孔没有画出)，承受插齿刀对主轴的作用。主轴结构如图1所示。主轴结构和尺寸采用类比法确定。Workbench软件中的DM(Geometry)界面进行建模。创建的主轴实体模型见图1。

图1 主轴实体模型

1.3 主轴实体模型网格划分

主轴表面为回转面，各段直径相差不大，采用ANSYY Workbench软件Model界面中的“Mesh”工具对主轴进行自动网格划分，“Relevance”设置为“100”，“Smoothing”设置为“中”，“初始种子”选用“Part”，主轴划分网格后的模型如图2所示。主轴网格划分采用四面体单元，单元数目为46726个，节点数目为29987个。

图2 主轴网格划分模型

2 施加载荷和约束

通过计算确定主轴右端蜗轮处的作用力为：Ft22=86258N，Fa22=7096N，Fr22=31395N，主轴左端承受的插齿切削力为FD=47679N。主轴受力计算模型如图3所示。

图3 主轴受力计算模型

图中，E点为蜗轮受力作用点，B点为主轴安装轴承处，C点为主轴与滑动套的连接点，D点为主轴承受的切削力作用点。主轴所受约束在B点和C点。主轴轴承所受轴向力在图中没有画出。

由于E点和D点不在主轴表面，需要施加远程载荷，对主轴B点施加固定约束，对主轴C点施加位移约束。施加载荷和约束后的主轴模型如图4所示。

图4 施加载荷和约束后的主轴模型

3 结果查看和分析

通过求解可以获得主轴应力分析云图和主轴变形云图。其中主轴最大拉应力与主轴表面产生的裂纹有关;主轴最大弯曲变形与插齿机加工齿轮的精度有关。主轴正应力云图如图5所示。

图5 主轴正应力云图

从图中可以看出，插齿机主轴最大应力发生在主轴与蜗轮接触处，为 36.484MPa，最小应力为 -74.435MPa，满足主轴强度要求。

插齿机主轴的总变形如图6所示。

图6 插齿机主轴的总变形

主轴的总变形为0.1988mm，发生在主轴的最左端。主轴变形在许可范围内。主轴在Y方向的变形如图7所示。

图7 插齿机主轴Y方向变形

从图中看出，插齿机主轴Y方向的最大变形在主轴最 左端，为0.189mm。

结论

(1)主轴正应力云图中，最大拉应力和最大压应力并不相等，压应力大于拉应力，说明主轴承受弯曲载荷的同时还承受轴向载荷，这与主轴实际受载相符。

(2)主轴总变形云图显示主轴总变形为0.1988mm，Y轴的变形云图显示主轴在Y方向的变形为0.189mm，这说明主轴Y方向变形是主轴变形的主要原因，主轴的最大弯曲变形发生在主轴安装接刀套处，主轴在此处的刚性较差。

Spindle Analysis of Numerical Control Gear Slotting Machine Based on ANSYS Workbench

YANG SHI-cheng1，WANG HAI-wen2，GUO Wei2
(1.Zhangjiakou Vocational and Technical College，Zhangjiakou，Hebei 075000;2.Xi’An University of Science and Technology，Xi’An，Shanxi 710054)

Spindle of Numerical Control gear slotting machine，is analyzed by ANSYS Workbench.Spindle model is created in DM of the software，mesh are generated through using automatic mesh partition techniques of software on spindle.Loads and restraint forces are applied on the spindle FEM model.The spindle total deformation curve，the spindle Y directional deformation curve，and the spindle normal stress curve are obtained.It analyzes the spindle performance to use these simulation curves.

ANSYS;gear slotting machine;spindle

TG613

A

1008-8156(2011)02-0052-03

2011-04-18

2011-05-20

杨世成(1967-)，男，河北涿鹿人，张家口职业技术学院机械工程系副教授。研究方向：机械设计与制造。