旋风铣头主轴结构优化设计

 王  帅，王  可，孙兴伟

（沈阳工业大学机械工程学院，辽宁  沈阳  110870）

  摘要：主轴是数控机床系统中最重要的部件，主轴性能好坏会严重影响被加工工件的品质，因此，对旋风铣头主轴进行优化设计是十分必要的。通过建立主轴优化的数学模型、选择优化方法、计算机求解，对旋风铣头主轴进行了机械结构优化，优化后的结构更加合理。

  关键词：旋风铣；主轴；优化设计

  中图分类号：TG547 文献标识码：A

  ●引言

 旋风铣头是切削过程中的执行单元，其性能好坏 将会直接影响加工零件的表面质量[1]。而其主轴更是机床旋转运动的执行件，因此对旋风铣头主轴进行优化设计是十分必要的。近年来，随着科学技术的发展机计算机技术的普及，主轴的结构设计逐步与计算机技术相结合，利用计算机准确、高效的特点，可将主轴结构设计和校核验算同时进行，使得主轴设计过程更加简单、迅速[2-3] 。本文结合数学知识及计算机技术对旋风铣头主轴结构进行优化设计。

  1建立优化设计的数学模型

  1.1  设计变量

 旋风铣头的主轴是一根空心台阶轴，在实际加工过程中，旋风铣头主轴前端会受到径向力F和力矩M的作用[4]。为方便使用材料力学知识进行分析，可以对主轴结构影响较小的台阶处进行简化[5]，使与之相连的轴颈尺寸一致。简化后的主轴为一以当量直径表示的等截面轴，其他各轴颈尺寸均是在当量直径尺寸上根据实际情况和装配要求一一选取的。受到载荷后的主轴变形如图1所示。

 旋风铣头内孔用于通过棒料，其内径尺寸与棒料大小有关，是设计时所需的规定值，所以主轴内径d不作为优化参数。一般地，主轴的强度和刚度主要受外径D、跨距L和悬臂长度a的影响，故将D、L、a作为设计变量进行优化，用X表示：

1.2  约束条件

 被加工零件的品质好坏很大程度上受到旋风铣头主轴形变的影响，因此主轴性能与主轴刚度、扭转变形等因素有着密切联系，一般要求其不超过规定值。

1.2.1  主轴刚度约束

 工件加工质量很大程度上取决于主轴刚度[6] 。主轴前端在外力F的作用下，产生位移y F;在力矩M的作用下，产生位移y M。旋风铣头主轴前端位移y可认为是同平面内y F和y F之和，即y=y F + y M。当外力F和力矩M给定时，悬臂端挠度y是设计变量X的函数，即y=y(X)。一般要求外伸端挠度y不得超过其规定值y0，即y≤y0。由材料力学知识可得[7] ：

其中：E为主轴材料的弹性模量。

1.2.2  偏转角约束

2数学模型的优化求解

3结论

 通过旋风铣头主轴结构优化设计实例可以看出：借助于数学理论和计算机程序，主轴优化后的结果明显好于优化前的初值，符合主轴用料少、自重轻的设计目标。其他各段轴颈尺寸可以将优化结果作为依据·根据装配需求等因素进行选取和调整。至此，对旋风铣头主轴进行优化设计取得了理想结果。

参考文献：

[1]吴正平．多功能简易旋风装置[J].实践与探索，2011(3)：18 0-181．

[2]杜官将，李东波．基于ANSYS的机床主轴结构优化设计[J].组合机床与自动化加工技术，2011(12)：22-24.

[3]江惠明，王广．数控机床主轴的多目标优化设计[J].新技术新工艺，2010(7)：38-41.

[4]冯海华，李国平．基于MATLAB的机床主轴优化设计[J].温州大学学报，2009(2)：33-37.

[5]李金华，刘永贤，仪登丽，等，基于有限元的精密主轴多目标优化设计研究[J].机床与液压，2012(7)：5-11.

[6]葛建兵，翟雪琴，马蓉，等，基于ANSYS的机床主轴优化设计[J].机械工程与自动化，2011(1)：75-77.

[7]刘鸿文．材料力学[M].第5版，北京：高等教育出版社，2011-