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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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