數(shù)控機(jī)床主軸部件動(dòng)態(tài)特性的有限元分析_圖文

1、156機(jī)械設(shè)計(jì)JOURNAL OF MACHINE DESIGN數(shù)控機(jī)床主軸部件動(dòng)態(tài)特性的有限元分析梁雙翼1.2,尹輝俊2,陳晨2,宋世柳2(1.華中科技大學(xué),湖北武漢430070;2.廣igi-r學(xué)院機(jī)械系,廣西柳州545006型,臨界轉(zhuǎn)速,主軸部件的動(dòng)應(yīng)力和變形作用下的危險(xiǎn)點(diǎn),為數(shù)控機(jī)床主軸部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有力依據(jù)。關(guān)鍵詞:主軸;動(dòng)態(tài)特性;有限元分析中圖分類號:TP391。72文獻(xiàn)識別碼:A主軸部件一般由主軸、軸承和支承結(jié)構(gòu)組成,是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。主軸部件是一個(gè)多自由度振動(dòng)系統(tǒng),作用在其上的各種激擾力作用是其產(chǎn)生復(fù)雜振動(dòng)的振源。產(chǎn)生各種激擾力的因素主要有兩類:一是切削過程中刀具

2、切入工件去除金屬層,將會(huì)使整個(gè)機(jī)床系統(tǒng)特別是主軸部件受到切削力的作用;二是相對運(yùn)動(dòng)件間存在摩擦力作用。如果這些激勵(lì)力的激振頻率和主軸部件的某一固有頻率相吻合時(shí),就會(huì)發(fā)生共振,并導(dǎo)致在主軸部件上某些部位產(chǎn)生數(shù)值很大的共振動(dòng)應(yīng)力,從而影響加工精度和表面光潔度。因此,對數(shù)控機(jī)床的主軸部件的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究分析具有十分重要的意義。本文應(yīng)用Ansys有限元分析軟件對某數(shù)控機(jī)床主軸部件的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了有限元分析。首先要確定主軸部件的固有頻率和振型;其次是主軸部件在外載荷作用下的動(dòng)力響應(yīng)時(shí)間歷程,求出主軸部件的動(dòng)應(yīng)力和變形作用下的危險(xiǎn)點(diǎn)。1主軸的有限元模型本模型采用沿軸旋轉(zhuǎn)面的方式建立實(shí)體模型和有限元網(wǎng)格。

3、因此,先建立一個(gè)截面,然后沿截面的一條邊旋轉(zhuǎn)生成模型和網(wǎng)格。選用Elastic4node63和Brick8node45單元進(jìn)網(wǎng)格劃分,彈性模量為2E5Mpa,泊松比0.3,材料密度為7.8e.99/mm3。建立的截面和有限元網(wǎng)格如圖l所示,沿截面底邊旋轉(zhuǎn)后得到的模型如圖2所示。圖1截面有限元網(wǎng)格圖2網(wǎng)格劃分后的有限元模型2約束條件主軸由軸承來約束,根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)情況,軸承并非剛性。須考慮軸承的彈性影響。軸承的彈性將直接影響主軸的動(dòng)態(tài)特性,最終影響數(shù)控機(jī)床的加工精度。因此,對主軸進(jìn)行固有振動(dòng)特性分析時(shí)必須考慮軸承的彈性影響,以求得較為準(zhǔn)確的臨界轉(zhuǎn)速。每個(gè)軸承彈性支承均由四個(gè)均布的彈簧組成【1l。如

4、圖3所示。每個(gè)彈簧用一個(gè)彈簧單元Combinl4模擬。主軸前端軸承位置處與彈簧相連接的主軸上的4個(gè)節(jié)點(diǎn),如圖3中的Tl、T2、T3、T4節(jié)點(diǎn),加上限制軸向平移的約束,彈簧另一端的T5、T6、T7、T8這4個(gè)節(jié)點(diǎn)則完全固接?？紤]軸承的彈性影響,關(guān)鍵是確定軸承的彈性支承剛度K,由下式計(jì)算:拈赤(N/m圖3彈簧的分布示意圖 作者簡介:粱雙翼(1978一,女.廣西柳州人,華中科技大學(xué)在讀研究生,廣西工學(xué)院機(jī)械系講師.2006年8月梁雙翼,等:數(shù)控機(jī)床主軸部件動(dòng)態(tài)特性的有限元分析157式中:6I軸承的徑向彈性位移:,6廣軸承外圈與箱體孔配合處的接觸變形;6,軸承內(nèi)圈與主軸配合處的接觸變形。3模態(tài)計(jì)算結(jié)果

5、及分析用Subspace模態(tài)提取法提取前4階固有頻率,如表l所示。其中節(jié)選的第4階振型如圖4所示。表1固有頻率及振型階數(shù)頻率/Hz振型描述圈4第4階振型3.2計(jì)算結(jié)果分析。當(dāng)主軸以臨界轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí),主軸的撓度很大,主軸將產(chǎn)生劇烈振動(dòng),而在臨界轉(zhuǎn)速一定范圍之外工作時(shí),主軸將趨于平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn).對于任何主軸來說,都有無窮多階臨界轉(zhuǎn)速,但工程上具有實(shí)際意義的是前幾階臨界轉(zhuǎn)速。由以上模態(tài)分析得到主軸的前4階固有頻率,根據(jù)轉(zhuǎn)速和頻率的關(guān)系可計(jì)算得主軸的前二階臨界轉(zhuǎn)速為47545.8rpm和266820rpm。而該主軸的設(shè)計(jì)工作轉(zhuǎn)速為60008000rpm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于臨界轉(zhuǎn)速,固該主軸的工作轉(zhuǎn)速是安全的。4主軸部件

6、的諧響應(yīng)分析諧響應(yīng)分析主要用于分析持續(xù)的周期載荷在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中產(chǎn)生持續(xù)的周期響應(yīng),以及確定線性結(jié)構(gòu)承受隨時(shí)問變化按正弦規(guī)律變化的載荷時(shí)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的一種技術(shù)【2】。進(jìn)行諧響應(yīng)分析前應(yīng)確定簡諧載荷。即確定幅值、相位角和強(qiáng)制頻率范圍。對于該數(shù)控機(jī)床主軸部件而言,幅值即切削力,不考慮高階項(xiàng)的影響時(shí)可近似取相位角為零,強(qiáng)制頻率取600Hz。對主軸進(jìn)行諧響應(yīng)分析,得到主軸前端軸承支承面上結(jié)點(diǎn)M的諧響應(yīng)峰值曲線。如圖5所示,可得到結(jié)點(diǎn)M在激振頻率為2000Hz20000Hz時(shí)的位移隨時(shí)間的變化情況.由圖7知,在激振頻率9200Hz左右,主軸發(fā)生共振,結(jié)點(diǎn)M位移最大。在激振頻率為9200Hz的時(shí)候,主軸上各點(diǎn)的應(yīng)

7、力云圖如圖6所示.由圖6可知,發(fā)生共振時(shí),軸承支承位置附近的應(yīng)力最大,此處為危險(xiǎn)點(diǎn)。容易產(chǎn)生裂紋,甚至斷裂,可以通過改變軸承支承位置來改善這種情況。圖5主軸前端軸承支承面上結(jié)點(diǎn)M的諧響應(yīng)峰值曲線5結(jié)論圖69200Hz時(shí)主軸的應(yīng)力分布圖本文通過對某數(shù)控機(jī)床的主軸部件的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行有限元分析,確定了主軸的固有頻率、振型及臨界轉(zhuǎn)速,得到了主軸部件在簡諧載荷作用下的動(dòng)力響應(yīng)時(shí)間歷程,求出主軸部件的動(dòng)應(yīng)力和變形作用下的危險(xiǎn)點(diǎn)。為主軸部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有力依據(jù)。參考文獻(xiàn)【】劉國慶,楊慶東.ANSYS工程應(yīng)用教程(機(jī)械篇【M】.北京:中國鐵道出版社.2003. 【2】劉濤,楊風(fēng)鵬.精通AnsysM.北京:

8、清華大學(xué)出版社,2002. 數(shù)控機(jī)床主軸部件動(dòng)態(tài)特性的有限元分析作者:梁雙翼, 尹輝俊, 陳晨, 宋世柳作者單位:梁雙翼(華中科技大學(xué),湖北,武漢,430070;廣西工學(xué)院,機(jī)械系,廣西,柳州,545006, 尹輝俊,陳晨,宋世柳(廣西工學(xué)院,機(jī)械系,廣西,柳州,545006相似文獻(xiàn)(10條當(dāng)今數(shù)控機(jī)床的發(fā)展,除了要求機(jī)床質(zhì)量輕、成本低、使用方便和具有良好工藝性外,還著重要求機(jī)床具有愈來愈高的加工性能,而主軸部件正是引起切削顫振的主要部件。本課題的主要目的是以SSCKZ80-5型五軸車銑復(fù)合中心中對機(jī)床精度和動(dòng)特性影響比較大的主軸部件為研究對象,利用有限元法,對主軸部件進(jìn)行熱特性分析,找出薄弱

9、環(huán)節(jié),試圖通過改進(jìn)主軸部件結(jié)構(gòu)上相應(yīng)的薄弱模態(tài),使整機(jī)的動(dòng)態(tài)性能得到較大的提高。主要完成了以下工作:(1對SSCKZ80-5五軸復(fù)合車銑加工中心主軸的工作狀態(tài)進(jìn)行分析,主要針對其前剛度系統(tǒng),支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究。(2建立了機(jī)床主軸系統(tǒng)三維溫度場數(shù)學(xué)模型,并基于彈性力學(xué)、熱變形基本方程和有限元理論建立了熱變形的數(shù)學(xué)模型。(3建立了SSCKZ80-5五軸復(fù)合車銑加工中心主軸系統(tǒng)單件及組件的三維CAD模型,并對有限元網(wǎng)格劃分和結(jié)合面間的熱傳導(dǎo)系數(shù)進(jìn)行了探討,在此基礎(chǔ)上建立了熱特性有限元模型,為CAE分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。(4在分析機(jī)床主軸系統(tǒng)內(nèi)部熱源、邊界條件的基礎(chǔ)上,建立了機(jī)床主軸系統(tǒng)溫度場

10、的有限元模型?；谟邢拊▽SCKZ80-5五軸復(fù)合車銑加工中心主軸系統(tǒng)溫度場進(jìn)行了詳細(xì)的分析,依據(jù)分析結(jié)果,進(jìn)行了主軸溫升實(shí)驗(yàn),確定了SSCKZ80-5五軸復(fù)合車銑加工中心主軸冷卻潤滑條件。(5通過有限元分析,明確了主軸箱溫度場的影響因素,找出了主軸箱設(shè)計(jì)的薄弱環(huán)節(jié),并提出了合理可行的改進(jìn)意見。本文通過以上的研究工作,最終確定了整個(gè)主軸部件的設(shè)計(jì)方案,并將基于ANSYS的熱特性研究引入到機(jī)床的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)中,對提高機(jī)床的動(dòng)態(tài)、熱態(tài)特性的作出了積極的貢獻(xiàn)。2.期刊論文史安娜.劉春時(shí).SHI An-na.LIU Chun-shi數(shù)控機(jī)床主軸部件變形的有限元分析-組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)2005(4

11、利用有限元分析方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就能對主軸部件靜、動(dòng)態(tài)特性作出符合實(shí)際的預(yù)測,使數(shù)控機(jī)床主軸部件實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì),進(jìn)而提高產(chǎn)品一次設(shè)計(jì)成功率、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期,提高數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水平.3.期刊論文張耀滿.王偉.劉永賢.ZHANG Yao-man.WANG Wei.LIU Yong-xian數(shù)控車床主軸部件有限元分析及其驗(yàn)證-東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版2009,30(5研究了主軸部件有限元?jiǎng)恿W(xué)分析模型的建立方法,分析得到彈簧阻尼單元沿圓周方向布置角度的變化,對有限元分析結(jié)果影響很小,因此采用沿圓周方向均勻布置的彈簧阻尼單元模擬建立主軸支承模型的方法,確定了建立較為合理的分析模型.以

12、沈陽第一機(jī)床廠生產(chǎn)的CKS6125數(shù)控車床為研究對象,對主軸部件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析.通過機(jī)床主軸部件動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn),驗(yàn)證了有限元分析模型可行性和分析結(jié)果可信性.高速化、高精度已成為當(dāng)今機(jī)床發(fā)展的方向,而主軸部件是結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的部件,其動(dòng)態(tài)特性的好壞對機(jī)床的性能有著重要的影響。因此,對主軸部件進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析十分必要。在重慶市科委攻關(guān)項(xiàng)目(CSTC,2005AC3029和重慶市科技重大攻關(guān)項(xiàng)目(CSTC,2006AA3010資助下,以提高數(shù)控機(jī)床的轉(zhuǎn)速和改善動(dòng)態(tài)特性為研究目的,重慶第二機(jī)床廠與我們合作進(jìn)行CK6310型數(shù)控機(jī)床主軸部件動(dòng)力學(xué)分析和應(yīng)用研究。本文的具體研究內(nèi)容如下:總結(jié)了機(jī)床主軸部件動(dòng)

13、態(tài)研究的發(fā)展?fàn)顩r,在此基礎(chǔ)上,結(jié)合當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展趨勢,采用模態(tài)實(shí)驗(yàn)和有限元方法來進(jìn)行開展研究。簡要論述了模態(tài)參數(shù)識別原理,建立了主軸箱和主軸的線框模型;采用單點(diǎn)激振多點(diǎn)拾振的方法對其進(jìn)行模態(tài)實(shí)驗(yàn)分析,得到主軸部件的模態(tài)參數(shù);采用力傳感器和應(yīng)變儀對主軸進(jìn)行靜剛度測試,得到主軸的靜剛度值。分別建立主軸箱和主軸有限元模型,采用Lanczos法對其進(jìn)行自由模態(tài)分析,得到主軸箱和主軸的固有頻率和振型,對比實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù),驗(yàn)證了有限元模型建立合理。并根據(jù)有限元模態(tài)分析的結(jié)果,提出了箱體進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案。采用多點(diǎn)約束法模擬軸承支撐,建立主軸部件整體有限元模型;對主軸部件進(jìn)行靜力分析,對比靜剛度測試結(jié)果;采用

14、Lanczos法對主軸部件進(jìn)行模態(tài)分析,得到固有頻率和振型;選用振型疊加法求得主軸部件的瞬態(tài)響應(yīng),得到位移響應(yīng)云圖,為結(jié)構(gòu)改進(jìn)指出了方向。并進(jìn)行頻譜分析得到響應(yīng)頻譜圖,找出工作時(shí)容易發(fā)生共振的頻率域,為進(jìn)一步提高精度和轉(zhuǎn)速提供理論依據(jù)。5.期刊論文張耀滿.劉春時(shí).謝志坤.劉永賢.ZHANG Yao-man.LIU Chun-shi.XIE Zhi-kun.LIU Yong-xian高速機(jī)床主軸部件有限元分析-東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版2008,29(10在對主軸部件分析模型進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上,采用彈簧阻尼單元模擬軸承支承的方法,建立了主軸部件動(dòng)力學(xué)分析有限元模型.分別建立了采用兩組和三組彈簧阻尼單

15、元,且彈簧阻尼單元沿圓周方向以不同角度布置的機(jī)床主軸有限元模型,分析了不同支承情況及彈簧阻尼不同布置角度對主軸模態(tài)分析的影響.在對比分析的基礎(chǔ)上,確定了合理的分析模型.以沈陽第一機(jī)床廠研制和開發(fā)的CHH6125高速數(shù)控機(jī)床主軸為對象,對主軸部件進(jìn)行有限元模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析,并將其和機(jī)床試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行對比,驗(yàn)證了有限元分析模型的正確性.機(jī)械工程與自動(dòng)化2010(1在數(shù)控機(jī)床中,主軸部件最佳支承距對主軸部件的性能影響很大,因此對主軸部件最佳支承距的計(jì)算是主軸部件設(shè)計(jì)中相當(dāng)重要的工作.編制計(jì)算機(jī)軟件來做主軸部件最佳支承距的計(jì)算,既可以提高工作效率,使得過去復(fù)雜的計(jì)算在數(shù)秒內(nèi)輕松解決,同時(shí)可將設(shè)計(jì)人

16、員從繁雜的重復(fù)勞動(dòng)中解脫出來.本課題利用有限元分析軟件,對Solon3-1型臥式加工中心主軸部件進(jìn)行了靜、動(dòng)態(tài)分析及其結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究.在本文中,首先綜述了有限元分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢,簡要論述了有限元靜、動(dòng)態(tài)分析的基本求解過程,三維實(shí)體等參單元模型和空間梁單元模型的基本特點(diǎn).建立了主軸部件梁單元模型和三維實(shí)體單元兩種有限元分析模型,建模中,正確分析了主軸的載荷、附加質(zhì)量、軸承的支承剛度以及主軸的約束條件,合理確定了單元類型及形態(tài).對主軸部件三維實(shí)體模型,計(jì)算了主軸部件端部變形、前十階固有頻率,并對各階主振型進(jìn)行了分析.為了提高數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品設(shè)計(jì)的成功率,需要在產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成后物理樣機(jī)制造

17、出來之前,對產(chǎn)品關(guān)鍵部件的性能進(jìn)行分析和評價(jià).高速機(jī)床主軸部件是其非常重要的部件,其性能的優(yōu)劣將直接影響機(jī)床的最終加工性能,關(guān)系到數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)的成敗.本文以沈陽第一機(jī)床廠生產(chǎn)的某數(shù)控車床產(chǎn)品為研究對象,對其主軸部件進(jìn)行有限元分析,分析確定機(jī)床主軸系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能,對機(jī)床主軸系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行分析和評價(jià),并通過試驗(yàn)對有限元模型進(jìn)行驗(yàn)證。機(jī)床結(jié)構(gòu)動(dòng)、靜態(tài)特性的研究已經(jīng)成為當(dāng)今機(jī)床行業(yè)中的重要環(huán)節(jié)之一,由于計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的不斷提高,目前應(yīng)用有限元法研究機(jī)床整機(jī)或部件的動(dòng)、靜態(tài)性能是當(dāng)前優(yōu)化并改進(jìn)現(xiàn)有機(jī)床結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)開發(fā)機(jī)床新產(chǎn)品的新方法。主軸部件是數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵部件,直接參與切削加工。主軸部件的結(jié)構(gòu)、

18、動(dòng)態(tài)特性在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的切削能力和加工質(zhì)量,也是影響其加工精度的重要因素。主軸部件剛度的研究和支承結(jié)構(gòu)的優(yōu)化,對于進(jìn)一步提高數(shù)控機(jī)床的工作性能有十分重要的意義。本文采用有限元分析方法和試驗(yàn)分析方法,對GSVM5030L3銑削加工中心主軸部件進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析,具體包括:1.對主軸部件進(jìn)行合理簡化,考慮了軸上零件的附加質(zhì)量、約束條件,合理確定單元類型及形態(tài),正確處理主軸與軸承結(jié)合部問題,分析了軸承的徑向剛度和軸向剛度對機(jī)床動(dòng)態(tài)特性的影響,建立了結(jié)合部等效動(dòng)力學(xué)模型。由于前軸承既承受徑向力又承受軸向力,因此將前支承等效為四個(gè)徑向彈簧-阻尼單元和四個(gè)軸向彈簧-阻尼單元;后軸承只承受徑向力,因此等效為四個(gè)徑向彈簧-阻尼單元。由于考慮了主軸的附加質(zhì)量和軸承的軸向剛度,使所建立的動(dòng)力學(xué)模型更精確。2.使用