CK61200車床的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其主軸有限元分析術(shù)
2016-10-28 來(lái)源：江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 作者：顧寄南，熊偉，陳功，劉家博
摘要：論文先簡(jiǎn)要介紹自行設(shè)計(jì)的CK61200系列(32t)重型數(shù)控車床的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，包括雙刀架及其控制系統(tǒng)和主軸，然后以該車床主軸為重點(diǎn)研究對(duì)象，在考慮加工工件自身重力的工況下，基于有限元理論。運(yùn)用ANSYS Workbench軟件對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)、模態(tài)分析。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，分析得出主軸的最大變形和最大應(yīng)力，以此可以判斷剛度是否足夠；分析得出其固有頻率和振型，以此可以避開(kāi)共振區(qū)域。而上述求得的主軸動(dòng)靜態(tài)參數(shù)均在合理范圍內(nèi)，驗(yàn)證了主軸設(shè)計(jì)的合理性，為后續(xù)進(jìn)行機(jī)床的整機(jī)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：CK61200車床；關(guān)鍵結(jié)構(gòu)；有限元分析
0.引言
數(shù)控機(jī)床的高速化和高精密化是其主要發(fā)展趨勢(shì)之一。而主軸系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵部件，其靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能的好壞直接影響到機(jī)床的最終加工質(zhì)量和切削效率?。隨著機(jī)床加工速度和精度的不斷提高，對(duì)其主軸部件也提出了更高的設(shè)計(jì)和加工制造要求。因此，國(guó)內(nèi)外眾多研究機(jī)構(gòu)和科研院所對(duì)主軸部件的動(dòng)靜態(tài)特性展開(kāi)了廣泛、深入的研究¨1。
現(xiàn)階段對(duì)機(jī)床主軸的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析研究主要有以下兩點(diǎn)不足之處：①將主軸孤立的進(jìn)行分析，很少考慮在加工過(guò)程中，加工工件自身的重力對(duì)主軸的影響。這種分析方法只適用于小型機(jī)床。但是對(duì)于本研究中的重型機(jī)床而言，由于加工工件本身的質(zhì)量很大，對(duì)主軸性能的影響也非常大，故工件自身重力不能忽略p J。②多利用經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)主軸進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果精度難以保證。而有限元法具有很多傳統(tǒng)方法無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)，如精度高，適應(yīng)性強(qiáng)以及計(jì)算格式規(guī)范等，尤其在分析大型復(fù)雜零部件時(shí)，優(yōu)勢(shì)更加明顯。利用有限元法可以進(jìn)行靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，如果能夠很好的簡(jiǎn)化處理幾何模型，選擇合適的單元類型，以及控制好邊界條件，那么計(jì)算效率及結(jié)果精度都會(huì)大大地提剮引。
1.機(jī)床的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
圖1為自行設(shè)計(jì)的CK61200雙刀架臥式重型數(shù)控車床的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，該車床的總質(zhì)量約150t，其加工工件的最大質(zhì)量可達(dá)60t，最大加工工件長(zhǎng)度為6m，按照系譜的規(guī)定，最大長(zhǎng)度可增加到8m，10m，14m三種規(guī)格。主要用來(lái)對(duì)不同材料的大直徑軸類零件、盤狀和圓筒形零件進(jìn)行高速車外圓、切槽、切斷、端面、鏜孔等半精加工和精加工，也可用于大型軋輥類零件的高速加工。兩個(gè)數(shù)控刀架分別安裝在兩個(gè)滑板上，縱向(z軸)滑板和橫向(x軸)滑板。在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，橫向滑板分別由兩個(gè)滾珠絲杠帶動(dòng)，縱向滑板則由齒輪齒條傳動(dòng)。兩個(gè)刀架均為四工位自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架，位于主軸的同一側(cè)，可同時(shí)進(jìn)行2軸或4軸聯(lián)動(dòng)加工。
與普通機(jī)床相比，雙刀架數(shù)控機(jī)床可多刀同時(shí)加工，能極大的提高工作效率，但是，目前雙刀架數(shù)控機(jī)床仍沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用，其中一個(gè)主要的原因是傳統(tǒng)的雙刀架數(shù)控機(jī)床大多采用兩個(gè)獨(dú)立的控制系統(tǒng)”J，由于兩個(gè)刀架的數(shù)據(jù)和加工狀態(tài)相互獨(dú)立，不能及時(shí)交換，因而兩刀不能進(jìn)行相互協(xié)調(diào)，零件的加工精度很難得到保證，也容易引起加工故障。本機(jī)床采用西門子840D雙通道、雙方式組控制系統(tǒng)，雙刀架系統(tǒng)連接簡(jiǎn)圖如圖2所示。該系統(tǒng)配置了一個(gè)主軸模塊MSD和兩個(gè)雙軸驅(qū)動(dòng)模塊FDD。每個(gè)刀架分別配置了一個(gè)手持單元，兩個(gè)伺服電機(jī)，共用一個(gè)OP010、一個(gè)PCU20和一個(gè)操作面板MCP。PLC為該系統(tǒng)自帶的$7-300。通道1(第一方式組)包括：車床主軸SP、左刀架坐標(biāo)軸Xl和Z1；通道2(第二方式組)包括：車床主軸sP、右刀架坐標(biāo)軸胞和z2。由于共用一個(gè)系統(tǒng)。上述問(wèn)題得到了很好的解決，兩個(gè)刀架可以相互協(xié)調(diào)加工，極大的提高了加工的效率和精確性。另外，由于采用了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，使得編程和操作更為簡(jiǎn)潔方便。此外，為了保證該雙刀架機(jī)床的安全可靠性，還設(shè)置了硬限位(數(shù)控機(jī)床的硬件限位)和軟限位(依據(jù)機(jī)床數(shù)據(jù)限定)雙重安全保護(hù)措施舊1。
CK61200機(jī)床主軸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。主軸部件可實(shí)現(xiàn)分段無(wú)級(jí)變速，設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速范圍：500—10000r／min。該機(jī)床主軸采用雙支撐結(jié)構(gòu)，均采用NSK高精度陶瓷球軸承。主軸前支撐采用雙圓柱滾子軸承來(lái)承受徑向力，可以提高機(jī)床主軸徑向剛度及主軸的回轉(zhuǎn)精度，同時(shí)還采用了背靠背安裝的角接觸球軸承來(lái)承受主軸的軸向力以及降低主軸軸向竄動(dòng)量，提高軸向剛度；后支撐選用帶內(nèi)錐孔的圓柱滾子軸承來(lái)承受主軸徑向力。
圖1 CK61200車床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
圖2雙刀架系統(tǒng)連接簡(jiǎn)圖
圖3主軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖
2.主軸所受載荷分析與計(jì)算
在加工過(guò)程中，主軸在低速傳動(dòng)全功率的時(shí)候力學(xué)性能最差，傳遞全功率的最低轉(zhuǎn)速稱為計(jì)算轉(zhuǎn)速_7l。為分析主軸的最大變形和應(yīng)力，現(xiàn)計(jì)算在低速重載工況下的受力參數(shù)。電動(dòng)機(jī)通過(guò)一系列的齒輪傳動(dòng)將動(dòng)力傳到主軸，帶動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)。查閱相關(guān)技術(shù)資料后可知，CK61200機(jī)床計(jì)算轉(zhuǎn)速／7,。=150r／min電動(dòng)機(jī)功率P=80KW,工作效率為0.8，由公式：
取d=200，得到轉(zhuǎn)矩T=5093．3N·m，求出主軸在齒輪處所受到的圓周力F=15160N，徑向力F，=5518N。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，強(qiáng)力切削時(shí)被切削材料為45鋼，車刀進(jìn)給速度K=240mm／min；背吃刀量％=5mm；進(jìn)給量．廠=1．6mm／r，在切削加工過(guò)程中，車刀所受的切削總力，可以分解為三個(gè)互相垂直的分力：進(jìn)給力t，背向力F，和主切削力t。同時(shí)，主軸受到車刀相應(yīng)的反作用力。根據(jù)切削力的指數(shù)公式：
式中：C肌Cn、C凡取決于被加工材料和切削條件的有關(guān)系數(shù)；戈¨Y¨nt、戈-、YFf、np戈小yf、凡f分別為0P六啡的指數(shù)；K，、KF、K，為受切削速度、刀具幾何參數(shù)、刀具磨損等因素影響的修正系數(shù)。以上系數(shù)均可通過(guò)查表得到，有上述公式可計(jì)算到：
3. 主軸有限元模型的建立和邊界條件的設(shè)定
現(xiàn)以該車床主軸為分析對(duì)象，采用三維實(shí)體造型軟件SolidWorks和有限元分析軟件ANSYS Workbench分別完成主軸有限元模型的建立和邊界條件的設(shè)定。先在SolidWorks中建立主軸的三維實(shí)體模型然后導(dǎo)入到ANSYS Workbench中，選用solid45單元類型，自由網(wǎng)格劃分完成對(duì)主軸三維模型的網(wǎng)格劃分，如圖4所示。材料選擇45鋼，其材料屬性：彈性模量2．09E+11N／m2，泊松比0．269．密度7．89E+03kg／m3．網(wǎng)格劃分結(jié)束后，對(duì)主軸施加約束以及載荷。
根據(jù)工況，在前支撐的節(jié)點(diǎn)上施加圓柱面約束限制菇，Y和z方向上的平移，在后支撐上約束Y和z方向上的平移，由此位移約束施加完畢．齒輪和主軸連接傳動(dòng)部分的節(jié)點(diǎn)加載E和F，，主軸前端部施加切削力。根據(jù)機(jī)床設(shè)計(jì)參數(shù)，能加工的工件最大質(zhì)量為60t，根據(jù)此工況，在主軸的右端中心部位加載一個(gè)集中力，大小為最大工件重力的一半。這樣整個(gè)主軸的載荷設(shè)置結(jié)束。
圖4主軸有限元模型
4.主軸靜力學(xué)分析
主軸的靜力分析主要包括強(qiáng)度和剛度的計(jì)算。對(duì)主軸進(jìn)行靜力學(xué)分析后，得到了其應(yīng)力圖和變形圖。主軸的應(yīng)力云圖如圖5所示，它反映了主軸上各個(gè)單元的受力情況‘81。從圖中可以看出，主軸上的最大應(yīng)力為9．8x106Pa，小于材料45鋼的許用應(yīng)。力，最大應(yīng)力出現(xiàn)在主軸與軸肩端面相交的截面上，此處受力最大。主軸的變形圖如圖6所示，它反映了主軸受力后的變形情況。從圖中可以看出，最大變形量為1．247×10～mm，最大變形處位于右端端面處。
圖5主軸等效應(yīng)力圖
根據(jù)上述分析得出的結(jié)果，主軸上受到的最大應(yīng)力要小于45鋼材料的許用應(yīng)力；主軸的最大變形量為1．247×10一mm，也小于機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)推薦的值，由此可以判斷機(jī)床主軸的強(qiáng)度和剛度是滿足工作要求的。
圖6主軸總變形圖
5.主軸模態(tài)分析
根據(jù)有限元理論，主軸的動(dòng)力學(xué)方程如下：
(1)式中[M]、[K]、[c]分別為主軸質(zhì)量，剛度，阻尼矩陣，{戈(t)}、b(t)}、{菇(t)}分別為節(jié)點(diǎn)的位移、速度和加速度矢量，{F(t)}為節(jié)點(diǎn)所受合外力矢量。固有頻率只與系統(tǒng)本身的特性有關(guān)，模態(tài)分析即是求解振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率和振型【9】，當(dāng)彈性體的動(dòng)力學(xué)基本方程中的合外力向量{F(t))=0時(shí)，忽略阻尼便可得到系統(tǒng)的自由振動(dòng)方程和位移方程：
結(jié)構(gòu)的振動(dòng)可以視為各階振型的線性疊加，而低階振型比高階振型對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)影響大，低階振型對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性起決定作用，結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性分析通常取前5階¨1|，對(duì)主軸進(jìn)行模態(tài)分析后，得到了其前4階模態(tài)分析結(jié)果，見(jiàn)圖7～圖10和表1。
圖7一階振型
圖8二階振型
圖9三階振型
圖lO四階振型
表1主軸模態(tài)分析結(jié)果
當(dāng)主軸以臨界轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，軸的撓度將達(dá)到最大值，到達(dá)“I臨界”狀態(tài)，主軸將產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)，導(dǎo)致軸的壽命下降，甚至破壞軸，根據(jù)模態(tài)分析得到的固有頻率由式(6)可以計(jì)算出主軸各階臨界轉(zhuǎn)速，見(jiàn)表2。
式中：n一臨界轉(zhuǎn)速(r／min)f--固有頻率(Hz)
表2主軸各階臨界轉(zhuǎn)速
主軸的最高工作轉(zhuǎn)速為10000 r／min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于臨界轉(zhuǎn)速。因此該主軸設(shè)計(jì)合理，能有效地避開(kāi)共振區(qū)域，保證主軸的加工精度。
6. 結(jié)論
雙刀架數(shù)控機(jī)床可多刀同時(shí)加工，能極大的提高工作效率，本機(jī)床采用的西門子840D雙通道、雙方式組控制系統(tǒng)，由于共用一個(gè)系統(tǒng)，很好地解決了兩個(gè)刀架協(xié)調(diào)加工地難題，極大的提高了加工的效率和精確性，另外，由于采用了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，使得編程和操作更為簡(jiǎn)潔方便。此外，為了保證該雙刀架機(jī)床工作時(shí)的安全可靠性，還設(shè)置了硬限位和軟限位雙重安全保護(hù)措施。以車床主軸為重點(diǎn)研究對(duì)象，利用ANSYS Work—bench有限元分析軟件建立了主軸模型，對(duì)其進(jìn)行了靜力分析和模態(tài)分析，在考慮工件重力的工況下，得到更精確的分析結(jié)果。驗(yàn)證了主軸設(shè)計(jì)的合理性，在設(shè)計(jì)階段就對(duì)機(jī)床的性能作出預(yù)判，縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高效率，節(jié)省成本，增加企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)該機(jī)整機(jī)有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。
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