【正文】 體是車床幾個箱體中精度要求最高的一個，它的加工質(zhì)量，對機床的工作精度和工作性能，對裝配勞動量都有很大的影響；它又是主軸箱部件裝配中的一個基礎(chǔ)件，因此主軸箱箱體的加工質(zhì)量就成為車床制造中很重要的一個環(huán)節(jié)。對于第4階和第6階出現(xiàn)的箱體內(nèi)支撐板的嚴重變形，在優(yōu)化后變形量減小了；其次5階后箱體出現(xiàn)的扭轉(zhuǎn)變形也有所改善；對于扭轉(zhuǎn)變形最厲害的7階，在優(yōu)化后，箱體側(cè)壁的變形量明顯減小，且扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象有所減弱。對于第7階以后出現(xiàn)的明顯的扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，可通過增加內(nèi)筋和箱體側(cè)壁的厚度來提高振動特性。綜上可得：對于前幾階出現(xiàn)的箱體的平動和轉(zhuǎn)動，可通過在右側(cè)箱體底面增加螺栓以加強主軸箱與床身的穩(wěn)定，保證主軸箱在車床上的位置。 車床主軸箱體優(yōu)化 改進方案通過箱體的各階陣型的分析可知，前3階陣型為平面內(nèi)的整體轉(zhuǎn)動；4階、11階及14階、15階振型主要表現(xiàn)為支撐板的左右擺動，在加工過程中，箱體內(nèi)支撐板的明顯擺動會影響主軸的直線度和齒輪嚙合時傳動的穩(wěn)定性，導(dǎo)致加工零件半徑等尺寸精度降低，因此需要進行優(yōu)化設(shè)計； 5階后箱體出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，需要引起足夠的注意，因為箱體的扭轉(zhuǎn)則會引起箱體的變形，進而引起主軸等箱體內(nèi)其它軸的變形，同時由箱體引起的振動會導(dǎo)致加工表面的振動，使表面粗糙度增大；箱體的扭轉(zhuǎn)會影響箱內(nèi)齒輪的嚙合，影響傳動的穩(wěn)定性高，也會嚴重影響箱體主軸相對箱體的位置精度，會導(dǎo)致零件的加工半徑不一致，這些進而都會影響加工精度；而且箱體的變形還會使工件和刀具之間產(chǎn)生相對位移，影響正常的運動軌跡，這樣就影響了零件的加工表面質(zhì)量。 C6150主軸箱模態(tài)分析小結(jié)通過ANSYS軟件采用有限元分析方法，對主軸箱箱體結(jié)構(gòu)進行了模態(tài)分析，獲得了主軸箱箱體結(jié)構(gòu)的前15階固有頻率和振型，為后續(xù)的優(yōu)化設(shè)計作了準備。其次的振幅出現(xiàn)在第12階模態(tài)里，也出現(xiàn)在第一個支撐板和箱體側(cè)面上。(3) 通過各階總變形圖可以看出，在大多數(shù)階次下，箱體中間支撐板和箱體側(cè)面的振幅比較大，且變形較為嚴重，從中看出此處是主軸箱的薄弱環(huán)節(jié)，后續(xù)優(yōu)化部分應(yīng)考慮此處。對于頻率高的模態(tài)振型，它主要影響零件的精加工，這是因為精加工時主軸轉(zhuǎn)速高，頻率高，刀具進給量小，當高階振型的固有頻率和精加工的頻率相等時，容易發(fā)生共振，引起箱體振動和變形，精加工主要影響表面粗糙度、加工表面質(zhì)量、加工精度等，所以我們應(yīng)該通過分析高頻率的振型來研究箱體振動對精加工的影響，盡量避免發(fā)生共振。 模態(tài)計算結(jié)果主軸箱結(jié)構(gòu)前十五階固有頻率、振幅及振型描述（1）各階固有頻率如下表表1 各階固有頻率表階次固有頻率/Hz振型描述1沿Y軸方向擺動，左側(cè)面連接部分振型明顯2沿Z軸方向擺動，左側(cè)面連接部分振型明顯3沿X軸方向擺動，右側(cè)面連接部分和底面凸臺處振型明顯4內(nèi)支撐板沿Y方向左右擺動，兩支撐板頂部振型明顯5箱體扭轉(zhuǎn)，左側(cè)面連接部分振型明顯6內(nèi)支撐板沿X方向左右擺動，兩支撐板頂部振型明顯7沿Y方向彎曲，后側(cè)面中段振型明顯8沿Y方向彎曲，后側(cè)面中段振型明顯9沿Y方向彎曲，前側(cè)面中段振型明顯10箱體扭轉(zhuǎn)，左側(cè)面和后側(cè)面中段振型明顯11內(nèi)支撐板沿Y方向左右擺動，支撐板頂部振型明顯12沿X方向彎曲，左側(cè)面和前側(cè)面中段振型明顯13箱體扭轉(zhuǎn)，后側(cè)面中段振型明顯14內(nèi)支撐板沿Y方向左右擺動，支撐板頂部振型明顯15內(nèi)支撐板沿Y方向左右擺動，支撐板頂部振型明顯（2）各階振型如下圖 1階振型 2階振型 3階振型 4階振型 5階振型 6階振型 7階振型 8階振型 9階振型 10階振型 11階振型 12階振型 13階振型 14階振型 15階振型圖8 各階振型圖（3）各階總變形如下圖 1階總變形 2階總變形 3階總變形 4階總變形 5階總變形 6階總變形 7階總變形 8階總變形 9階總變形 10階總變形 11階總變形 12階總變形 13階總變形 14階總變形 15階總變形圖9 各階總變形圖 模態(tài)分析結(jié)果(1) 從前15階固有頻率可以看出，前三階頻率都非常小，均在100以下，,而車床主軸轉(zhuǎn)速范圍在361400r/min，根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速及主軸上齒輪的最大齒數(shù)為28，,所以在12階模態(tài)以下時，車床主軸可能與箱體發(fā)生共振。(2)顯示模態(tài)振型GUI．Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsDeformed Shapes。然后依次點擊GUI Main Menu Solution SolveCurrent LS開始求解。主軸箱是通過復(fù)合面導(dǎo)軌固定在底座上，再由箱體底面的螺栓來實現(xiàn)對主軸箱體的固定，在有限元模型中，把主軸箱的邊界約束簡化為約束與固定螺栓位置相對應(yīng)的節(jié)點的各方向的自由度，由于主軸箱與底座相固定，通過復(fù)合面導(dǎo)軌與底座相接觸，并以螺栓固定以實現(xiàn)全約束。在典型的模態(tài)分析中唯一有效的“載荷”是零位移約束，如果在某個DOF處指定了一個非零位移約束，則以零位移約束替代DOF處的設(shè)置。設(shè)置提取模態(tài)階數(shù)為15階。(3)Number of Modes to Extract：機床結(jié)構(gòu)是個連續(xù)體，質(zhì)量和彈性都是連續(xù)分布的，所以應(yīng)具有無窮多個自由度，也就是無窮多階模態(tài)。 設(shè)置分析類型和選項(1)Analysis Type Modal，指定分析類型為模態(tài)分析。具體步驟是：GUI Main MenuPreprocessorMeshingMesh Tool,選中Smart Size，將數(shù)值設(shè)為6，點擊Mesh，選擇Pick all，進行智能劃分。 劃分網(wǎng)格ANSYS提供了智能劃分網(wǎng)格功能，它考慮幾何圖形的曲率以及線與線的接近程度自動進行網(wǎng)格劃分，它較適合于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的自由網(wǎng)格劃分，有l(wèi)—10的精度等級，默認等級為6級。如長度單位是米，輸入的壓強單位不能是N／mm2。密度：P=7210 kg／m3。本課題中的主軸箱設(shè)計所使用的材料是灰鐵HT200，其參數(shù)如下：彈性模量：E=1．3e11 N／m2。如單示類型一樣，每一組材料特性有一個參考號。(2)定義材料特性 ANSYS中的所有分析都需要輸入材料屬性。有限元中，三維實體單元有兩種：六面體單元和四面體單元。針對不同的結(jié)構(gòu)模型，需要選擇不同的單元類型，ANSYS的單元類型有：實體單元、梁／管單元、殼／膜彈元、桿／索單元、彈簧單元、接觸單元、表面效應(yīng)單元、質(zhì)量單元、超單元等。每個單元類型有一個特定的編號和一個標識單元類別的前綴，如SOLID45，PLANE77等。如下圖所示圖5 主軸箱實體圖 定義單元屬性在生成節(jié)點和單元網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分之前，必須定義合適的單元屬性。3）運行ANSYS，F(xiàn)ile→Import→PARA...→左側(cè)框中就會看到剛才生成的*.x_t文件，選中OK導(dǎo)入完成。 C6150主軸箱結(jié)構(gòu)有限元模態(tài)分析 建立模型（1） 運用solidworks建立主軸箱體三維立體圖主軸箱體的三視圖如下圖所示：圖3 主軸箱體三視圖運用solidworks建立三維立體圖的步驟是：1）畫出草圖，拉伸出主軸箱實體2）以主軸箱實體上表面為基準面畫草圖，拉伸切除得到主軸箱殼體3）以殼體內(nèi)底面為基準畫草圖，拉伸得到箱體內(nèi)支撐板4）以箱體各側(cè)面為基準面畫草圖，拉伸切除得到各側(cè)面主軸孔5）畫出底座兩個螺紋孔并對主軸箱體倒角最后得到的主軸箱三維立體圖如下圖圖4 主軸箱三維立體圖（2） 將solidworks圖形導(dǎo)入ANSYS中 1）先在solidworks中建立模型，檢查無誤后將當前模型另存為 *.x_t格式，即保存類型選擇Parasolid(*.x_t)?？梢栽赑OSTl中觀察模態(tài)分析結(jié)果。（4）觀察結(jié)果模態(tài)分析的結(jié)果被寫入結(jié)構(gòu)分析結(jié)果文件Jobname．RST中。（3）模態(tài)擴展求解器的輸出內(nèi)容主要是固有頻率，固有頻率被寫到輸出文件Jobname．OUT及振型文件Jobname．MODE中。在車床的主軸箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究模態(tài)分析中必須指定彈性模量EX和密度DENS，而且非線性特性將被忽略。如果指定了非線性單元將作為線性的來看待。對于有支撐約束的結(jié)構(gòu)，對K和M進行邊界條件處理之后，總剛陣是對稱正定矩陣，則由式(9)解出的廣義特征值λ一定是正實數(shù)，從而可以算出彈性結(jié)構(gòu)的n個固有頻率： (10)對于沒有支撐而處于自由狀態(tài)的結(jié)構(gòu)，K和M不進行邊界條件處理，總剛陣是對稱半正定矩陣，由式(8)算出的一部分廣義特征值為零，沒有實際意義。將（7）式改寫為 (8)由于q是非零向量，上式有解的條件是矩陣KλM的行列式應(yīng)為零，即 (9)上式數(shù)學(xué)上稱為廣義特征方程，式中n為矩陣K或M的階數(shù)。顯然，如此求得的w就是結(jié)構(gòu)的固有頻率，而留就給出了相應(yīng)的振型。這樣的問題稱之為廣義特征值問題，而這樣的ω178。將式（3）對時間求一階、二階導(dǎo)數(shù)，得： (4) (5)將（3）式和（5）式代入（2）式中得： (6)即: (7)需要尋求式(7)所示的彈性結(jié)構(gòu)的節(jié)點振幅列陣q和ω，就轉(zhuǎn)化為找尋數(shù)量為ω178。對于自由振動，沒有外加激振力，無阻尼，式(1)變?yōu)椋? (2)計算經(jīng)驗表明，阻尼對結(jié)構(gòu)頻率和振型影響不大，因此，常用無阻尼自由振動方程式(2)來求解結(jié)構(gòu)的固有頻率和相應(yīng)的振型。模態(tài)分析反應(yīng)了結(jié)構(gòu)的固有振動特性，與施加的外載荷無關(guān)。通過對多自由度系統(tǒng)的分析可知，它有多種振動形式，即有多種振型，對應(yīng)每一種振型有各自的固有頻率。對于一個多自由度系統(tǒng)，它的運動微分方程為: ， M為質(zhì)量矩陣，C為阻尼矩陣，K為剛度矩陣。2 C6150主軸箱模態(tài)分析 模態(tài)分析理論基礎(chǔ) 圖1 單自由度系統(tǒng) 圖2 多自由度系統(tǒng)由一個無質(zhì)量的彈簧和無彈性的質(zhì)量所組成的系統(tǒng)稱為單自由度系統(tǒng)，單自由度運動微分方程式為，m、c、k分別為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、阻尼和剛度；分別為結(jié)構(gòu)的加速度、速度和位移；f為結(jié)構(gòu)的外激勵。（5）對優(yōu)化后的主軸箱進行加工工藝設(shè)計，主要包括零件圖的分析、選擇定位基準、擬定工藝路線、計算切削用量和填寫加工工藝卡等。（3）對主軸箱進行模態(tài)分析，設(shè)置各參數(shù)最后求解，得到車床主軸箱的各階固有頻率、固有振型以及總邊形圖和變形動畫，通過對它們的分析，找到箱體的薄弱環(huán)節(jié)，并以此分析結(jié)果作為結(jié)構(gòu)改進或優(yōu)化設(shè)計的依據(jù)。（2）運用solidworks三維軟件建立C6150主軸箱的三維實體模型，即將現(xiàn)有的主軸箱的二維圖紙轉(zhuǎn)化為三維實體模型。總之，利用模態(tài)分析理論研究主軸箱的振動問題具有重要的理論價值、廣泛的應(yīng)用前景和可觀的經(jīng)濟效益。 現(xiàn)實意義通過模態(tài)分析，可以得到箱體的振動情況并分析出箱體的薄弱環(huán)節(jié)，最后以此找到解決振動和噪聲問題。這對于機床的動態(tài)特性設(shè)計、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、操作空間設(shè)計以及控制等方面均有重要的指導(dǎo)意義。所以只要考慮從最低頻率開始的有限個固有模態(tài)就足夠了。機床結(jié)構(gòu)理論上是一個無限多自由度系統(tǒng)，存在無數(shù)多個固有模態(tài)，即有無數(shù)多個固有頻率及相對應(yīng)的振型。目前幾乎所有的商業(yè)化有限元程序系統(tǒng)都建立了對用戶非常友好的人機交換界面，使用戶能以可視圖形方式直觀快速地進行網(wǎng)格自動劃分，生成有限元分析所需資料，并按要求將大量的計算結(jié)果整理成變形圖、等值分布云圖，便于極值搜索和所需資料的列表輸出。并且已經(jīng)由求解線性工程問題進展到分析非線性問題。對于有限元技術(shù)的發(fā)展趨勢，已經(jīng)從單純的結(jié)構(gòu)力學(xué)計算發(fā)展到求解多物理場問題。目前的研究趨勢是把有限元模態(tài)分析方法和實驗?zāi)B(tài)分析技術(shù)有機的結(jié)合起來，取長補短，相得益彰。模態(tài)分析技術(shù)開始于20世紀30年代，經(jīng)過70多年的發(fā)展，模態(tài)分析已經(jīng)成為振動工程中一個重要分支。最后對優(yōu)化后的主軸箱進行加工工藝設(shè)計，選擇合適的加工工藝以獲得符合精度要求的主軸箱。由