強(qiáng)化地板數(shù)控橫向開(kāi)榫機(jī)主軸的有限元分析

馬 巖，宋明亮，汪茜茜，李 虎，楊春梅，周玉成

(1.東北林業(yè)大學(xué) 林業(yè)與木工機(jī)械工程技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150040；2.東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；3.山東建筑大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101)

隨著人們生活水平的提高，強(qiáng)化木地板得到了廣泛應(yīng)用，而強(qiáng)化木地板的加工過(guò)程中，木地板開(kāi)榫是其生產(chǎn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，榫槽加工質(zhì)量直接關(guān)系到木地板鋪裝、使用質(zhì)量以及使用壽命[1-2]。而開(kāi)榫機(jī)的主機(jī)結(jié)構(gòu)是影響榫槽加工質(zhì)量的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，通過(guò)ANSYS軟件分析了設(shè)計(jì)中主要結(jié)構(gòu)的性能，并總結(jié)分析結(jié)果，驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的可靠性。強(qiáng)化地板數(shù)控橫向開(kāi)榫機(jī)的主機(jī)部分是整個(gè)機(jī)床最核心的部件，主機(jī)的穩(wěn)定性和性能好壞直接影響著整個(gè)機(jī)床的各項(xiàng)性能，因此對(duì)主機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)與分析十分必要。在強(qiáng)化地板數(shù)控橫向開(kāi)榫機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)中，齊邊鋸主軸在加工過(guò)程中受到的切削力最大，其主軸的剛度和強(qiáng)度會(huì)直接影響機(jī)床的精度。有限元具有較高的計(jì)算精度，能對(duì)各種復(fù)雜的實(shí)際情況進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，從而保證機(jī)器的穩(wěn)定性，采用Solidworks2010和ANSYS軟件，建立主軸模型的分析模型，對(duì)主軸進(jìn)行有限元分析，依據(jù)分析結(jié)果對(duì)主軸模型進(jìn)行改進(jìn)和完善，提高結(jié)構(gòu)的合理性[3-6]。

1 強(qiáng)化地板數(shù)控橫向開(kāi)榫機(jī)總體結(jié)構(gòu)

強(qiáng)化地板數(shù)控橫向開(kāi)榫機(jī)主要由前進(jìn)料輥臺(tái)組件、主機(jī)、后出料輥臺(tái)組件和機(jī)架4部分組成(圖1)。其加工運(yùn)動(dòng)方式為：工件通過(guò)進(jìn)料輥臺(tái)縱向進(jìn)給，由定位夾緊機(jī)構(gòu)定位夾緊，主機(jī)帶動(dòng)4組刀具進(jìn)行橫向進(jìn)給，完成強(qiáng)化地板的端部的橫向齊邊、粗銑、精銑和拋光加工；再通過(guò)中間進(jìn)給輥臺(tái)，到達(dá)出料輥臺(tái)。在總體結(jié)構(gòu)中，機(jī)架對(duì)主機(jī)起支撐和固定作用；前進(jìn)料輥臺(tái)組件和后出料輥臺(tái)組件通過(guò)螺栓連接固定在機(jī)架兩側(cè)，實(shí)現(xiàn)工件的進(jìn)料、下料和縱向進(jìn)給；主機(jī)通過(guò)步進(jìn)電機(jī)控制齒輪和機(jī)架上的齒條嚙合，推動(dòng)主機(jī)在機(jī)架軌道上橫向移動(dòng)，完成強(qiáng)化地板端部的齊邊、粗銑、精銑和拋光的加工。強(qiáng)化地板數(shù)控橫向開(kāi)榫主機(jī)是整機(jī)的核心，在強(qiáng)化地板開(kāi)榫過(guò)程中主要完成對(duì)強(qiáng)化地板的齊邊、粗銑、精銑和拋光等加工，加工的穩(wěn)定性和加工性能的好壞直接影響到強(qiáng)化地板的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率[7-10]，開(kāi)榫機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是整個(gè)機(jī)床的設(shè)計(jì)關(guān)鍵。

注：1．前進(jìn)料輥臺(tái)組件；2.機(jī)架；3.主機(jī)；4.后出料輥臺(tái)組件。

圖1強(qiáng)化地板數(shù)控橫向開(kāi)榫機(jī)總體結(jié)構(gòu)

Fig.1 Overall structure layout of the laminate flooring panelCNC transverse tenoner

2 強(qiáng)化地板數(shù)控橫向開(kāi)榫機(jī)齊邊鋸主軸靜力學(xué)分析

齊邊鋸主軸組件是強(qiáng)化地板數(shù)控橫向開(kāi)榫機(jī)主機(jī)的關(guān)鍵部件，用來(lái)完成強(qiáng)化地板的齊邊加工，其中齊邊鋸主軸組件在加工過(guò)程中受力較大。因此，本文運(yùn)用ANSYS12.0軟件對(duì)強(qiáng)化地板數(shù)控橫向開(kāi)榫機(jī)齊邊鋸主軸進(jìn)行靜力學(xué)分析，并依據(jù)分析結(jié)果指導(dǎo)齊邊鋸主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，齊邊鋸主軸結(jié)構(gòu)如圖2所示。

本設(shè)計(jì)中，利用三維設(shè)計(jì)軟件建立齊邊鋸主軸三維模型，對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，在保證計(jì)算分析精度的前提下，能夠有效地減小有限元分析計(jì)算時(shí)間，提高分析效率[11-14]。主鋸軸材料選用45號(hào)鋼調(diào)質(zhì)處理，對(duì)應(yīng)的參數(shù)為彈性模量E=2.09×1011N/m2，泊松比μ=0.269，密度ρ=7.89×103kg/m3，抗拉強(qiáng)度σb=355 MPa，齊邊鋸主軸有限元分析模型如圖3所示。

本設(shè)計(jì)主鋸軸有限元模型的劃分方法采用自由網(wǎng)格劃分法，能更加真實(shí)有效地模擬實(shí)際情況，自動(dòng)化程度較高，無(wú)模型尺寸限制，無(wú)固定的網(wǎng)格模式，無(wú)需將復(fù)雜形狀分解為規(guī)則形狀，但自由網(wǎng)格劃分法的不足之處在于，劃分網(wǎng)格單元的尺寸較小、數(shù)量較多，對(duì)完成模型分析的耗時(shí)較長(zhǎng)，計(jì)算效率較低[15]。主鋸軸有限元模型網(wǎng)格劃分結(jié)果為：節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為326 651，單元個(gè)數(shù)為231 828，網(wǎng)格劃分如圖4所示，能較為真實(shí)準(zhǔn)確地反映主鋸軸實(shí)際情況，提高有限元分析的可靠性。

網(wǎng)格劃分后需對(duì)齊邊鋸主軸有限元模型進(jìn)行邊界約束條件及載荷進(jìn)行添加，齊邊鋸主軸所受邊界約束條件及載荷如圖5所示。載荷的施加能夠檢測(cè)有限元模型對(duì)該載荷條件的響應(yīng)，且施加載荷是否合理對(duì)有限元分析結(jié)果有直接的影響，對(duì)齊邊鋸主軸有限元模型進(jìn)行載荷施加，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中壓軸力計(jì)算可知，在帶輪軸段位置施加壓軸力FR1=180.12N，在帶輪軸段位置施加輸入扭矩T=3.5×103N·mm，在三面刃銑刀軸段位置施加壓軸力FR2=24.03N，在三面刃銑刀軸段位置施加負(fù)載扭矩M=3.5×103N·mm。

圖2 齊邊鋸主軸結(jié)構(gòu)

對(duì)齊邊鋸主軸有限元模型添加邊界約束條件及載荷后進(jìn)行求解計(jì)算，得到其應(yīng)力云圖、應(yīng)變?cè)茍D及最大變形云圖，并據(jù)此進(jìn)行齊邊鋸主軸靜力學(xué)分析研究，應(yīng)力、應(yīng)變及變形云圖分別如圖6、圖7、圖8所示。

圖3 齊邊鋸主軸有限元分析簡(jiǎn)化模型

圖4 齊邊鋸主軸有限元分析模型網(wǎng)格劃分

圖5 齊邊鋸主軸受力簡(jiǎn)圖

圖6 齊邊鋸主軸應(yīng)力云圖

圖6所示齊邊鋸主軸應(yīng)力云圖反映了齊邊鋸主軸的強(qiáng)度特性。從圖6可以看出，齊邊鋸主軸的最大應(yīng)力出現(xiàn)在主軸帶輪與主軸套筒的軸段上，最大應(yīng)力值可達(dá)1.962 1 MPa，而主軸使用的材料是45號(hào)鋼，由于材料均勻且計(jì)算精度較低，選取材料強(qiáng)度安全系數(shù)[S]=2，其屈服強(qiáng)度為σb=355 MPa，因此最大許用應(yīng)力為：

(1)

經(jīng)計(jì)算確定支撐架材料的許用應(yīng)力值 [σ]=177.5 MPa，齊邊鋸主軸所受的最大應(yīng)力值為1.962 1 MPa，小于材料的許用應(yīng)力值177.5 MPa，未超過(guò)應(yīng)力值[σ]。因此齊邊鋸主軸結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)合理，在強(qiáng)化地板的橫向齊邊加工過(guò)程中，可有效避免因齊邊鋸主軸強(qiáng)度不足而造成齊邊鋸主軸總成的損壞，影響正常工作。

圖7 齊邊鋸主軸應(yīng)變?cè)茍D

圖7所示齊邊鋸主軸應(yīng)變?cè)茍D反映了齊邊鋸主軸的剛度特性。從圖7可以看出，齊邊鋸主軸的最大變形處也出現(xiàn)在齊邊鋸主軸帶輪與主軸套筒的軸段上，這與應(yīng)力云圖完全相符，最大應(yīng)變值為0.009 34 mm/m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的極限撓度值2.39 mm/m。因此，齊邊鋸主軸結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計(jì)同樣合理，在強(qiáng)化地板的橫向齊邊加工過(guò)程中不會(huì)有剛度不足的情況出現(xiàn)。

圖8 主鋸軸變形云圖

圖8所示齊邊鋸主軸變形云圖反映了齊邊鋸主軸在工作過(guò)程中受各種載荷作用下的變形情況。從圖8可以看出，齊邊鋸主軸最大變形發(fā)生在帶輪的安裝位置處，越是接近軸端處變形越大，這樣與齊邊鋸主軸總成的實(shí)際工作情況完全一致。齊邊鋸主軸的最大變形量為0.000 59 mm，通常為保證加工精度，主軸工作時(shí)軸向傳動(dòng)累計(jì)誤差保證在0.25～0.75 mm，故齊邊鋸主軸設(shè)計(jì)滿足精度要求。

綜合以上應(yīng)力、應(yīng)變和變形情況的分析可知，在齊邊鋸主軸總成工作過(guò)程中，齊邊鋸主軸的強(qiáng)度、剛度特性完全能夠保證強(qiáng)化地板數(shù)控橫向開(kāi)榫機(jī)主機(jī)完成強(qiáng)化地板的橫向齊邊加工，并能保證較高的加工精度，說(shuō)明齊邊鋸主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。

3 強(qiáng)化地板數(shù)控橫向開(kāi)榫機(jī)齊邊鋸主軸模態(tài)分析

模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)，能夠真實(shí)地反映出結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。通過(guò)模態(tài)分析可確定結(jié)構(gòu)的固有頻率、阻尼及模態(tài)振型等動(dòng)態(tài)性能，明確結(jié)構(gòu)對(duì)不同類型動(dòng)力載荷的相應(yīng)情況，有效避免結(jié)構(gòu)在工作過(guò)程中產(chǎn)生共振、噪聲污染等現(xiàn)象，為結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考[16-17]。本文利用ANSYS12.0軟件中模態(tài)分析模塊對(duì)主機(jī)結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵零部件的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行模態(tài)分析，及早發(fā)現(xiàn)并解決設(shè)計(jì)階段存在的問(wèn)題，大大縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期、降低設(shè)計(jì)成本，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)可靠性。

齊邊鋸主軸是強(qiáng)化地板數(shù)控橫向開(kāi)榫機(jī)主機(jī)中最關(guān)鍵零件，具有6 000 r/min的轉(zhuǎn)速，其強(qiáng)度、剛度和振動(dòng)頻率等性能的好壞對(duì)整機(jī)工作性能將產(chǎn)生直接的影響。如設(shè)備工作時(shí)被加工工件自身的不均勻性、電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)、運(yùn)動(dòng)零部件的精度誤差等都可能造成主機(jī)和整機(jī)的受迫振動(dòng)而產(chǎn)生“自激”振動(dòng)，當(dāng)此振動(dòng)頻率與齊邊鋸主軸固有頻率相近時(shí)，齊邊鋸主軸會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，造成噪聲污染的增加，主機(jī)加工精度的降低，甚至造成零部件的破壞，降低機(jī)器使用壽命。結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析是線性分析，任何所施加的力載荷在模態(tài)分析中都不考慮，僅對(duì)齊邊鋸主軸施加約束，考慮到較低階頻率與環(huán)境中其他振源產(chǎn)生共振的可能性最高，對(duì)設(shè)備的破壞更為嚴(yán)重，所以利用ANSYS12.0軟件對(duì)齊邊鋸主軸有限元模型(1～6階)模態(tài)振型進(jìn)行分析，確定齊邊鋸主軸的前6階固有頻率及振型，齊邊鋸主軸前6階模態(tài)分析如圖9所示。

注：(a)第1階；(b)第2階；(c)第3階；(d)第4階；(e)第5階；(f)第6階。

根據(jù)圖9所示的模態(tài)分析結(jié)果，可對(duì)齊邊鋸主軸前六階固有頻率及振型進(jìn)行分析，齊邊鋸主軸第1階模態(tài)振型表現(xiàn)為齊邊鋸主軸安裝鋸片一端Y向小幅振動(dòng)，第2階模態(tài)振型表現(xiàn)為齊邊鋸主軸安裝鋸片一端X向小幅振動(dòng)，第3階模態(tài)振型表現(xiàn)為齊邊鋸主軸安裝兩軸承中間位置X向小幅振動(dòng)，第4階模態(tài)振型表現(xiàn)為齊邊鋸主軸安裝兩軸承中間位置Y向小幅振動(dòng)，第5階模態(tài)振型表現(xiàn)為齊邊鋸主軸安裝帶輪一端X向小幅振動(dòng)，第6階模態(tài)振型表現(xiàn)為齊邊鋸主軸安裝帶輪一端Y向小幅振動(dòng)。齊邊鋸主軸的前6階固有頻率及振型統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 齊邊鋸主軸前6階固有頻率及振型

從圖9和表1可以看出，齊邊鋸主軸的前6階模態(tài)的固有頻率為4 434.0～5 886.5 Hz，隨著齊邊鋸主軸固有頻率的增加，齊邊鋸主軸的振動(dòng)在兩端和中間發(fā)生交替變化，振動(dòng)幅度伴有小幅增長(zhǎng)，考慮到主鋸軸軸承支撐點(diǎn)較遠(yuǎn)，這樣的變化屬于正常情況。

當(dāng)軸的轉(zhuǎn)速與共振臨界轉(zhuǎn)速接近時(shí)，軸的撓度和變形將迅速增大，導(dǎo)致軸及軸上零件發(fā)生破壞。因此，為了保證強(qiáng)化地板數(shù)控橫向開(kāi)榫機(jī)的加工精度和安全性，需對(duì)高速軸進(jìn)行振動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算，即進(jìn)行臨界轉(zhuǎn)速值計(jì)算，保證軸的工作轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)離臨界轉(zhuǎn)速，避免共振現(xiàn)象發(fā)生。軸的臨界轉(zhuǎn)速有多個(gè)，每階固有頻率對(duì)應(yīng)每階臨界轉(zhuǎn)速，對(duì)于剛性軸，應(yīng)保證n≤(0.75～0.8)ncr1，ncr1為軸第1階臨界轉(zhuǎn)速。利用頻率、轉(zhuǎn)速計(jì)算公式對(duì)齊邊鋸主軸每階臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行計(jì)算，齊邊鋸主軸前6階臨界轉(zhuǎn)速如表2所示。軸的臨界轉(zhuǎn)速公式為：

n=60f

(2)

式中，n為轉(zhuǎn)速，r/min；f為頻率，Hz。

本文中齊邊鋸主軸為剛性軸，根據(jù)表2可知，主鋸軸實(shí)際轉(zhuǎn)速n=6 000 r/min，遠(yuǎn)小于臨界轉(zhuǎn)速的75%～80%，可有效地避免共振區(qū)域。由于齊邊鋸主軸是齊邊鋸主軸組件的核心部件，要保證足夠的制造、安裝精度，同時(shí)，當(dāng)測(cè)得齊邊鋸主軸組件及整機(jī)激振頻率與上述振型所在頻率帶相近時(shí)，要通過(guò)相應(yīng)的減振措施避開(kāi)這些頻率帶，保證設(shè)備的高精度運(yùn)轉(zhuǎn)。

表2 齊邊鋸主軸前6階臨界轉(zhuǎn)速

4 結(jié)論

利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)強(qiáng)化地板數(shù)控橫向開(kāi)榫機(jī)主機(jī)的核心部件進(jìn)行靜力學(xué)分析、模態(tài)分析，得出如下結(jié)論。

1)通過(guò)對(duì)強(qiáng)化地板數(shù)控橫向開(kāi)榫機(jī)主機(jī)齊邊鋸主軸進(jìn)行靜力學(xué)分析，驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，其剛度、強(qiáng)度等均滿足使用要求，并為主機(jī)組件及其他關(guān)鍵零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)思路及依據(jù)。

2)通過(guò)對(duì)強(qiáng)化地板數(shù)控橫向開(kāi)榫機(jī)主機(jī)齊邊鋸主軸進(jìn)行模態(tài)分析，獲得齊邊鋸主軸的固有頻率及臨界轉(zhuǎn)速，證明強(qiáng)化地板橫向開(kāi)榫加工過(guò)程中齊邊鋸主軸與主機(jī)機(jī)架之間不會(huì)發(fā)生共振現(xiàn)象，保證強(qiáng)化地板數(shù)控橫向開(kāi)榫機(jī)主機(jī)加工的穩(wěn)定性。

完成了強(qiáng)化地板數(shù)控橫向開(kāi)榫機(jī)齊邊鋸主軸的有限元分析，運(yùn)用ANSYS12.0有限元分析軟件對(duì)強(qiáng)化地板數(shù)控橫向開(kāi)榫機(jī)主機(jī)的齊邊鋸主軸部件進(jìn)行了靜力學(xué)分析，獲得其應(yīng)力云圖、應(yīng)變?cè)茍D及最大變形云圖。分析結(jié)果顯示，齊邊鋸主軸和主機(jī)機(jī)架結(jié)構(gòu)滿足其工作時(shí)的剛度和強(qiáng)度要求；對(duì)齊邊鋸主軸和主機(jī)機(jī)架還進(jìn)行了模態(tài)分析，結(jié)果顯示其在正常工作狀態(tài)下不會(huì)產(chǎn)生共振，能夠滿足工作需求。因此，本研究對(duì)各種軸類零件的仿真分析提供了一定的參考價(jià)值和理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn):

[1] 周捍東,丁濤,陸斌,等.強(qiáng)化木地板生產(chǎn)用工分析與過(guò)程裝備技術(shù)升級(jí)[J].木材加工機(jī)械,2015(5):1-4,41.

[2] 曹平祥.強(qiáng)化木地板生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備[J].木材工業(yè),2010(3):19-21.

[3] 張?jiān)菩?多功能數(shù)控開(kāi)榫技術(shù)的研究[J].高等職業(yè)教育(天津職業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)),2006(4):48-50.

[4] LIU B.Environmental engineered wood laminate flooring manufacturing method[P].US9434147,2016-09-06.

[5] 花軍.淺析木地板榫槽加工機(jī)床[J].人造板通訊,2005(6):31-33.

HUA J.Elementary analysis of tenoning & grooving machines for wood flooring[J].China Wood-based Panels,2005(6):31-33.(in Chinese)

[6] SHU W.Analysis on production and market of flooring in Europe[J].China Wood-Based Panels,2014,04:38-41.

[7] 馬巖.中國(guó)數(shù)控木工機(jī)械的開(kāi)發(fā)方向[J].林業(yè)機(jī)械與木工設(shè)備,2007,35(11):4-10,13.

[8] ZHENG C L,YAO Z.Mechanism-structure integrative optimal design on construction machinery[J].Chinese Journal of Computational Mechanics,2012,29(1):81-85.

[9] GAYEN,DEBABRATA.Finite element based vibration analysis of graded spinning shaft system[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,2014,228(18):97-103.

[10] YANG X W,LI Y M.Structural topology optimization on dynamic compliance at resonance frequency in thermal environments[J].Structural and Multidisciplinary Optimization,2014,49(1):81-91

[11] 宿艷彩.基于ANSYS軟件的橋架結(jié)構(gòu)參數(shù)化有限元分析[D].成都:西南交通大學(xué),2006.

[12] 張興朝.基于有限元分析的模塊化數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)研究[D].天津:天津大學(xué),2001.

[13] 馬巖,岳彩裙,郝思明.暗直榫歐式木窗專用數(shù)控機(jī)床主軸的有限元分析[J].西北林學(xué)院學(xué)報(bào),2014,29(1):185-187.

[14] XIAO L X,WU G Q,ZHANG X D,etal.Statics analysis on workbenches of three kinds of electromaglev linear feed unit[J].Applied Mechanics and Materials,2012,189:340-344.

[15] 宋明強(qiáng),沈雋.有限元與ANSYS在家具結(jié)構(gòu)分析中的應(yīng)用[J].西北林學(xué)院學(xué)報(bào),2008,23(1):174-177.

[16] 呂艷紅,張遠(yuǎn)群.有限元軟件ANSYS在果木家具強(qiáng)度分析中的應(yīng)用[J].西北林學(xué)院學(xué)報(bào),2012,27(6):181-184.

[17] 袁安富,鄭祺.基于ANSYS的機(jī)床模態(tài)分析[J].電腦知識(shí)與技術(shù),2008(1):177-180,193.