基于ANSYS的數(shù)控平旋盤旋轉(zhuǎn)體的有限元分析*

張　濤1,郭旭紅1,李其龍1,吉文正2

(1.蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215006；2.蘇州江源精密機(jī)械有限公司，江蘇 蘇州 215143)

基于ANSYS的數(shù)控平旋盤旋轉(zhuǎn)體的有限元分析*

張濤1,郭旭紅1,李其龍1,吉文正2

(1.蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215006；2.蘇州江源精密機(jī)械有限公司，江蘇 蘇州 215143)

摘要：數(shù)控平旋盤是一種具有 U 軸功能的機(jī)床附件，可以加工許多復(fù)雜型面。針對平旋盤旋轉(zhuǎn)體的安裝位置及功能特點(diǎn)，應(yīng)用ANSYS軟件進(jìn)行建模，在實(shí)際工況條件下分析其動(dòng)、靜態(tài)力學(xué)特性。靜態(tài)受力分析最大應(yīng)力及整體變形的趨勢，動(dòng)態(tài)上進(jìn)行模態(tài)分析，得到了前6階固有振動(dòng)頻率、模態(tài)振型和應(yīng)力-應(yīng)變云圖，為旋轉(zhuǎn)體系統(tǒng)的振動(dòng)特性分析、振動(dòng)故障診斷和預(yù)報(bào)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可靠性，為進(jìn)一步的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：數(shù)控平旋盤；ANSYS ；靜力特性；動(dòng)力特性

高檔數(shù)控機(jī)床是發(fā)展我國先進(jìn)制造技術(shù)及重大裝備的基礎(chǔ)，具有重大的經(jīng)濟(jì)和戰(zhàn)略地位。隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展，制造技術(shù)的進(jìn)步以及現(xiàn)實(shí)需求的變化，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床向著高速、高效、高精度、高可靠性和工藝復(fù)合化的方向發(fā)展，其結(jié)構(gòu)朝著簡約和集成模塊化方向發(fā)展， 這對數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)提出了越來越高的要求，需要不斷采取新的設(shè)計(jì)理論、方法、技術(shù)和手段支持創(chuàng)新產(chǎn)品的研發(fā)，其中高端機(jī)床關(guān)鍵功能部件的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化就是一個(gè)重要的方面。

數(shù)控平旋盤是數(shù)控鏜銑床的重要功能部件。在使用數(shù)控鏜銑床加工大直徑孔時(shí)，由于受到刀具的局限，大直徑孔的加工一般采用立銑刀圓弧插補(bǔ)的辦法進(jìn)行。采用此種加工工藝方法雖然能夠獲得滿意的加工質(zhì)量；但存在加工軌跡長、效率低和機(jī)床插補(bǔ)精度對加工幾何精度影響大等問題，制約了數(shù)控鏜銑床的效率和效能[1]。數(shù)控鏜銑床配備了數(shù)控平旋盤后可以將銑削變?yōu)檐囅?，增加了鏜削大直徑孔、平面、車削外圓、端面和切槽等功能，并且大幅度提高了加工效率。

作為平旋盤的主要功能部件，旋轉(zhuǎn)體在平旋盤的動(dòng)、靜態(tài)特性方面起到了極為重要的作用，同時(shí)旋轉(zhuǎn)體的質(zhì)量大小、整體剛度直接影響了平旋盤的加工精度，所以研究旋轉(zhuǎn)體的靜態(tài)特性及受力變形情況，對于提高平旋盤整體的加工精度和效率，以及之后的改進(jìn)設(shè)計(jì)具有重要的意義。

1UT5系列平旋盤簡介

Utronic 系列平旋盤是意大利丹德瑞刀具公司生產(chǎn)的大中型精密刀具。UT5系列平旋盤的U軸與機(jī)床其他數(shù)控軸(數(shù)控鏜床的W軸或V軸，數(shù)控龍門銑的Z軸或X軸)聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)后，可實(shí)現(xiàn)鏜內(nèi)孔和內(nèi)球面，車外圓和車外球面，車端面、車背面和切槽(各種弧形或異型密封槽)，鏜錐孔、凹凸面、錐管螺紋和圓柱螺紋，也能完成各種復(fù)雜型面的加工。其實(shí)物圖與效果模擬圖如圖1和圖2所示。

圖1　平旋盤實(shí)物圖　　　圖2　平旋盤效果模擬圖

2平旋盤旋轉(zhuǎn)體受力分析

平旋盤各零部件及旋轉(zhuǎn)體整體的剛度和強(qiáng)度是設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)考慮的重點(diǎn)。平旋盤各零件及整體抵抗變形的能力，即其剛度，是平旋盤性能的重要指標(biāo)之一。旋轉(zhuǎn)體的質(zhì)量，大小和在整個(gè)平旋盤剛度中所占比例，直接影響到整個(gè)部件的剛度分布及性能；因此，合理地設(shè)計(jì)平旋盤旋轉(zhuǎn)體的結(jié)構(gòu)，以及外壁和筋板的厚度，并分析其動(dòng)靜態(tài)剛度，可以提高設(shè)計(jì)效率，縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期。平旋盤旋轉(zhuǎn)體的三維實(shí)體模型如圖3所示，具體結(jié)構(gòu)尺寸見表1。

圖3　旋轉(zhuǎn)體三維實(shí)體模型

(mm)

旋轉(zhuǎn)體是平旋盤的主要旋轉(zhuǎn)零件，一般通過定位孔固定在與主軸相連的連接體上，其隨主軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)體工作時(shí)，一方面承受裝有銑刀的滑板軸向力及徑向力的作用，作用點(diǎn)在直線導(dǎo)軌的4個(gè)滑塊上，等效處理后為作用在旋轉(zhuǎn)體的4個(gè)定位孔塊上，并且當(dāng)滑塊位于底座的最底端時(shí)底座受力最大；另一方面還要承受絲杠所帶的壓力，絲杠主要承受電主軸及其附件的重力[2]。對上述各力做簡化處理和力的平移變換，可得旋轉(zhuǎn)體內(nèi)側(cè)圓孔面承受絲杠轉(zhuǎn)化的壓力F=870 N,4個(gè)等效受力為：靠近滑板一側(cè)圓孔受550 N的拉力，遠(yuǎn)離滑板一側(cè)圓孔受760 N的壓力，小圓孔的等效面積約為200 mm2。

3有限元分析

3.1旋轉(zhuǎn)體模型建立及網(wǎng)格劃分

本文應(yīng)用三維建模軟件Pro/E對旋轉(zhuǎn)體零件進(jìn)行建模，并對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕托迯?fù)，以中間文件的形式導(dǎo)入ANSYS系統(tǒng)，建立對應(yīng)的有限元模型。材料屬性見表2。

表2　主要材料參數(shù)

圖4　模型網(wǎng)格劃分

有限元的網(wǎng)格包括數(shù)據(jù)和單元信息。正確劃分網(wǎng)格是進(jìn)行有限元分析的先決條件。網(wǎng)格單元尺寸越小，劃分越密集，求解精度也越高，同時(shí)求解過程持續(xù)時(shí)間也越長，對計(jì)算機(jī)硬件要求越高；所以，應(yīng)該在滿足求解精度的前提下，合理劃分網(wǎng)格，以達(dá)到精、準(zhǔn)、快的要求[3]。鑒于旋轉(zhuǎn)體底座結(jié)構(gòu)為空間不規(guī)則幾何體，故選用10節(jié)點(diǎn)的SOLID92塊單元，采用自由網(wǎng)格劃分，幾何體不規(guī)則部分采用協(xié)調(diào)分片算法自動(dòng)生成四面體，規(guī)則部分采用掃掠法產(chǎn)生六面體網(wǎng)格。劃分結(jié)果顯示細(xì)化水平為8，節(jié)點(diǎn)數(shù)為112 403個(gè)，單元個(gè)數(shù)65 896個(gè)。模型網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。

坐標(biāo)軸的建立：X方向?yàn)樾D(zhuǎn)體水平方向；Y方向?yàn)樾D(zhuǎn)體垂直方向，即重力方向；Z方向與主軸進(jìn)給方向一致。

3.2旋轉(zhuǎn)體的靜態(tài)特性分析

根據(jù)旋轉(zhuǎn)體安裝位置特點(diǎn)，其于主軸的軸端相連，約束應(yīng)該施加在跟主軸相連的連接孔上，單獨(dú)分析旋轉(zhuǎn)體時(shí)，把內(nèi)孔節(jié)點(diǎn)的連接位置看做不變量，實(shí)行完全約束。旋轉(zhuǎn)體一方面還受其自身重力的影響，另一方面在豎直方面上做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)額定最大轉(zhuǎn)速計(jì)算出轉(zhuǎn)速為41.6 r/s。其余各受力、載荷見前文受力分析。

ANSYS軟件求解模塊進(jìn)行分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)束后旋轉(zhuǎn)體的變形及應(yīng)力如圖5～圖9所示。

圖5　X方向上的變形　　　圖6　Y方向上的變形

圖7　Z方向上的變形　　　　　圖8　整體變形

圖9　整體受力

由圖5～圖9可以看出，X方向上最大變形值為6.059 μm，Y方向上最大變形值為7.607 μm，Z方向上最大變形值為17.446 μm，其總結(jié)構(gòu)變形圖上顯示變形值大部分區(qū)間為0～1.2 μm。最大變形出現(xiàn)在遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)體中心最遠(yuǎn)邊緣處受力最大的地方，故其變形也最大，其剛度為6.7×103N/μm。上述數(shù)據(jù)表明，旋轉(zhuǎn)體的重力變形以及旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力不可忽視。為提高其靜剛度，增強(qiáng)其抵抗變形的能力，應(yīng)考慮筋板的結(jié)構(gòu)形式及合理分布。

3.3旋轉(zhuǎn)體的動(dòng)態(tài)特性分析

3.3.1模態(tài)分析

執(zhí)行動(dòng)力學(xué)分析的第1步通常是計(jì)算忽略阻尼情況下的固有頻率和振型，模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，通過模態(tài)分析方法可知結(jié)構(gòu)物在某一易受影響的頻率范圍內(nèi)的各階主要模態(tài)的特性，就可以預(yù)言結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)在外部或內(nèi)部各種振源作用下產(chǎn)生的實(shí)際振動(dòng)影響[4]。因?yàn)榈碗A振型對旋轉(zhuǎn)體振動(dòng)特性影響比較大，所以只對旋轉(zhuǎn)體的前6階模態(tài)頻率進(jìn)行分析。分析結(jié)果見表3，前6階模態(tài)振型圖如圖10所示。

圖10　旋轉(zhuǎn)體的前6階模態(tài)振型

模態(tài)階數(shù)振型頻率/Hz1繞約束點(diǎn)連線為軸在XOZ平面內(nèi)左右振動(dòng)[5]1532繞約束點(diǎn)連線為軸在XOZ平面內(nèi)上下振動(dòng)3273繞約束點(diǎn)連線為軸在XOZ平面內(nèi)一階彎振3394沿整個(gè)圓周面一階彎扭振[6]5015沿整個(gè)圓周面一階彎扭振5656沿整個(gè)圓周面二階彎扭振661

由表3可以看出，旋轉(zhuǎn)體最低階頻率為153 Hz，其附屬旋轉(zhuǎn)件刀具的額定轉(zhuǎn)速為8.3 r/s,絲杠的轉(zhuǎn)速為33.3 r/s, 旋轉(zhuǎn)體的最低階頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其附屬旋轉(zhuǎn)件的最高頻率。所以該旋轉(zhuǎn)體避開了固有頻率和激振頻率的共振，具有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。由前6階振型圖可以看出，在各階振型下，旋轉(zhuǎn)體邊緣尤其是約束點(diǎn)軸線兩側(cè)有相對的位移，若需要進(jìn)一步提高該零件的剛度，可以采取在外圓周加強(qiáng)厚度等一系列措施。

3.3.2諧響應(yīng)分析

諧響應(yīng)分析是用于確定線性結(jié)構(gòu)在承受隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化的載荷時(shí)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的一種技術(shù)，分析的是計(jì)算出結(jié)構(gòu)在激振力頻率下的響應(yīng)，即響應(yīng)位移與響應(yīng)應(yīng)力，并得到系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)與系統(tǒng)振動(dòng)頻率的曲線[7]。模態(tài)分析可得到旋轉(zhuǎn)體各階振型，表示整體的相對振動(dòng)情況，而外力激勵(lì)下各階振型對整體振動(dòng)作用大小是不同的，因此對旋轉(zhuǎn)體進(jìn)行諧響應(yīng)分析可更清楚地看出旋轉(zhuǎn)體在動(dòng)態(tài)銑削力干擾下的抗振性能。

經(jīng)過模態(tài)分析可知，旋轉(zhuǎn)體變形最大位移在外圓周邊緣離中心最遠(yuǎn)處，因此在這個(gè)區(qū)域內(nèi)任意拾取—個(gè)節(jié)點(diǎn)來施加激振力，激振力的幅值取100 N，頻率為0～1 000 Hz，分為10步進(jìn)行諧響應(yīng)分析。得到節(jié)點(diǎn)的幅頻曲線(見圖11)。

圖11　分別為X、Y、Z方向上的頻率-位移變化曲線

由結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)可知，當(dāng)外載荷的激振頻率與結(jié)構(gòu)的固有頻率接近時(shí)會引起共振，從而使得位移響應(yīng)最大。由圖11可以看出，頻率為400～550 Hz以及700～900 Hz節(jié)點(diǎn)的三向振幅均較大，且響應(yīng)位移出現(xiàn)了急劇變化，因此共振可能會發(fā)生在第4階、第6階和第7階模態(tài)處，其中激振頻率為870 Hz時(shí)，旋轉(zhuǎn)體Y方向上的變形最大，為5.51 μm，其剛度為7.03×102N/μm,小于靜力學(xué)分析的剛度6.7×103N/μm。第6階模態(tài)振型對于旋轉(zhuǎn)體動(dòng)態(tài)性能影響最大，并且在實(shí)際加工過程中，旋轉(zhuǎn)體的性能主要是由其動(dòng)態(tài)特性決定的[8]；因此，在改進(jìn)設(shè)計(jì)中，提高旋轉(zhuǎn)體外圓周抗彎扭能力是技術(shù)的關(guān)鍵。

4結(jié)語

利用大型有限元軟件ANSYS對UT5系列平旋盤的旋轉(zhuǎn)體進(jìn)行了靜、動(dòng)態(tài)特性分析。通過分析得到了旋轉(zhuǎn)體受力變形，找出了結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，以及分析振動(dòng)模態(tài)情況，并通過諧響應(yīng)分析得到了共振范圍，為平旋盤的優(yōu)化和改進(jìn)提供了可參考的依據(jù)。今后的研究方向是著重研究將靜態(tài)精度設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)特性分析設(shè)計(jì)結(jié)合起來，通過多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法對平旋盤進(jìn)行系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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* 江蘇省成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目(BA2014004)

責(zé)任編輯彭光宇

FiniteElementAnalysisfortheCNCFacing&BoringHeadonANSYSSoftware

ZHANGTao1, GUO Xuhong1, LI Qilong1， JI Wenzheng2

(1.CollegeofMechanicalandElectricEngineering,SoochowUniversity,Suzhou215006,China;

2.JiangyuanPrecisionMachineryCo.,Ltd.,Suzhou215143,China)

Abstract：CNC facing & boring head is a kind of machine tool accessories with U axis function, and can be processed in many complex surface. According to installation location and functional features of the facing & boring head, set up the whole machine model using ANSYS software and analyze the dynamic performance on the condition of working machine tool. Analyzing the static force of maximum stress and the deformation of the whole trend and with dynamic modal analysis, obtaining the first six order natural vibration frequency, modal vibration mode and stress and strain contours. Vibration characteristics of the rotating body system has provided the basis for the vibration fault diagnosis and forecast and the characteristics of the structural dynamic optimization design. It verifies the reliability of the design and would provide the reference for the further design and optimization in theory.

Key words:CNC facing & boring head， ANSYS， static characteristics， dynamic characteristics

收稿日期：2015-03-26

作者簡介：張濤(1990-),男，碩士研究生，主要從事精密機(jī)械有限元分析等方面的研究。

中圖分類號：TH 123+4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A