石油篩管數(shù)控多刀銑床刀軸箱動態(tài)性能分析

0 引言

石油篩管數(shù)控多刀銑床是用于切割石油篩管縫的大型專用數(shù)控機床。該機床具有同時加工80條縫的能力，其中支撐80個主軸的箱體組（每個箱體鑄造而成，支撐4根主軸）的動態(tài)性能直接影響著機床的加工精度及精度的穩(wěn)定性。要保證機床具有良好的動態(tài)性能，首先必須保證與刀具及主軸密切相關(guān)的20個刀軸箱的動態(tài)性能。

一般機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動態(tài)優(yōu)化準則[1,2]為：1）提高各階固有頻率；2）各階固有頻率盡量均布；3）避免固有頻率與外界激勵頻率一致引起共振；4）各子結(jié)構(gòu)的動剛度不出現(xiàn)明顯的薄弱環(huán)節(jié)。

本文利用有限元分析技術(shù)對其機床刀軸箱進行動態(tài)分析，提出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

1 建立刀軸箱有限元模型

1.1 材料屬性與邊界處理

刀軸箱所選材料為灰鑄鐵HT300，材料為各向同性，介質(zhì)均勻。材料屬性參數(shù)為：楊氏彈性模量E=1.3MPa，泊松比由于刀軸箱安裝時采用4個螺栓與機床拖板連接，為了模擬實際工況，因而邊界處理時將箱體與螺栓結(jié)合面進行全約束。

1.2 有限元網(wǎng)格劃分及求解

刀軸箱長602mm，寬332.5mm，高60mm，利用ANSYS14.0有限元軟件提供的solid186（20node186）單元進行網(wǎng)格劃分。劃分后共有92723個節(jié)點，52092個單元，得到有限元模型如圖1所示。進行模態(tài)分析，求解刀軸箱體前6階固有頻率和振形。

圖1 刀軸箱有限元模型

2 刀軸箱模態(tài)分析

由于低階模態(tài)對振動系統(tǒng)的動態(tài)性能影響較大[4]，本文僅提取了刀軸箱的前6階模態(tài)，給出刀軸箱前6階固有頻率和相應(yīng)振型，如表1所示。參考坐標系如圖2所示。

表1 刀軸箱前6階固有頻率和相應(yīng)振型

根據(jù)模態(tài)分析，可以對刀軸箱的結(jié)構(gòu)進行評價。刀軸箱前6階固有頻率都在300Hz以上，具有較高的低階固有頻率，說明刀軸箱具有較好的剛性[5]。刀軸箱的相對位移變形量主要集中在Y方向和X方向，Z方向的振動盡管較小，但均大于加工精度，故結(jié)構(gòu)動剛度較差。

圖2 刀軸箱1階模態(tài)云圖（751.51Hz）

圖3 刀軸箱2階模態(tài)云圖（774.29Hz）

刀軸箱1階模態(tài)如圖2所示。由于長邊側(cè)沿Y軸擺動,最大擺動位移為0.017mm，將會使主軸產(chǎn)生軸向竄動。短邊側(cè)沿X軸擺動，會使加工縫產(chǎn)生位置偏差。圖3所示為刀軸箱2階模態(tài)。箱體長邊側(cè)沿Y軸擺動，最大擺動位移為0.017mm，使主軸產(chǎn)生軸向竄動，加工出的縫寬產(chǎn)生誤差。而機床設(shè)計加工縫寬誤差是0.015mm，模態(tài)1和模態(tài)2產(chǎn)生的軸向竄動誤差均大于0.015mm，不僅會影響加工縫寬的精度，而且會發(fā)生崩刃現(xiàn)象，從而在很大程度上影響機床的精度。

圖4 刀軸箱3階模態(tài)云圖（942.54Hz）

圖5 刀軸箱4階模態(tài)云圖（1048.1Hz）

圖4所示為刀軸箱的3階模態(tài)。由于箱體長邊側(cè)沿Y軸扭動，會使主軸在軸向產(chǎn)生竄動，且四根主軸的竄動不同步。短邊側(cè)沿X軸擺動，使主軸在每一工位加工時定位精度降低。圖5所示為刀軸箱4階模態(tài)。箱體長邊側(cè)中間部分沿Y軸擺動，使中間兩根軸產(chǎn)生軸向竄動。短邊沿X軸擺動，降低加工定位精度。3階和4階模態(tài)下的最大位移均為0.02mm，已超出加工誤差0.015mm，會影響機床加工精度。

圖6 刀軸箱5階模態(tài)云圖（1139.7Hz）

圖7 刀軸箱6階模態(tài)云圖（39992.7Hz）

圖6所示為刀軸箱5階模態(tài)。箱體長邊側(cè)沿Y軸扭動，會影響主軸軸向竄動，最大位移為0.04mm，短邊側(cè)沿X軸擺動，最大擺動位移為0.016mm，已超過尺寸偏差范圍。圖7所示為刀軸箱6階模態(tài)，箱體長邊側(cè)沿Y扭動，使主軸產(chǎn)生軸向竄動，且竄動不同步。短邊側(cè)沿X軸擺動，產(chǎn)生主軸定位偏差。

由于刀軸箱各個方向的振動位移量均超出加工誤差，因此，刀軸箱在結(jié)構(gòu)動剛度方面仍需進一步優(yōu)化。另外該機床對加工縫寬度要求嚴格，即要求軸向振動位移須很小。該結(jié)構(gòu)中1階、2階模態(tài)時產(chǎn)生的振動位移可能使刀具損壞，影響縫寬，從而影響整個機床加工精度。再者每個刀軸箱支撐4根主軸，軸間距固定，這不能滿足軸間距和軸向縫間距可任意改變的需求。所以，仍需對刀軸箱結(jié)構(gòu)加以優(yōu)化。

3 優(yōu)化措施

通過以上分析，刀軸箱主要存在以下問題：

1）各階模態(tài)下產(chǎn)生的最大位移均已超出加工誤差，這對保證縫寬加工精度，刀具免受損，整機動態(tài)性能等都會產(chǎn)生嚴重影響。

2）刀軸箱本身存在的問題，如：刀軸箱殼體前后軸承孔的不同心度，錐度和不圓度等。

3）刀軸箱所用軸承精度，刀軸自身加工精度，刀軸箱軸承孔的加工精度對整機加工精度產(chǎn)生的積累誤差。

通過改變刀軸箱結(jié)構(gòu)布局和關(guān)鍵參數(shù)，分析固有頻率、動態(tài)響應(yīng)等結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化情況，選擇適合的結(jié)構(gòu)布局和尺寸，提高結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能[6]。

3.1 刀軸箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在保證刀軸箱寬度不變的情況下，研究其長度變化對固有頻率的影響，同時，考慮刀軸箱長度變化對軸向振動位移的影響。綜合長度變化引起的固有頻率和振動位移變化，選取合適的長度保證前6階固有頻率比原結(jié)構(gòu)大幅提高，軸向振動位移比原結(jié)構(gòu)顯著減小，增加結(jié)構(gòu)動剛度和加工精度。要保證軸間距和軸向縫間距可調(diào)，需使組合軸形式變?yōu)楠毩⑤S形式[7]。

3.2 提高刀軸及刀軸箱制造精度

1）刀軸軸頸的不同心度將直接引起刀軸徑向跳動；而刀軸軸頸的錐度和不圓度在裝配時將引起滾動軸承內(nèi)滾道變形，破壞其精度。所以需提高刀軸加工時的同心度、錐度和不圓度，以此提高刀軸箱結(jié)構(gòu)動剛度。

2）刀軸箱殼體前后軸承孔的不同心度，錐度和圓度等對刀軸加工精度有嚴重的影響。軸承孔的錐度和圓度，其中最重要的是軸承內(nèi)滾道表面的圓度、光潔度以及滾動體的尺寸差，將引起軸承外圈變形，影響軸承可以調(diào)整的最小間隙。數(shù)控銑床在工作時，刀軸箱與床身臺面的振擺在收緊軸承時，將使軸承滾道面產(chǎn)生不規(guī)則的變形，不只是引起軸向跳動，而且會使刀軸產(chǎn)生徑向跳動，同時會引起刀軸在旋轉(zhuǎn)一周的過程中，產(chǎn)生輕重不勻的現(xiàn)象，甚至導(dǎo)致刀軸發(fā)熱[8]，進而影響精度及精度的穩(wěn)定性。所以提高刀軸箱殼體前后軸承孔制造時的同心度、錐度和圓度是提升刀軸箱及整機動態(tài)性能的重要措施。

4 結(jié)論

通過對石油篩管數(shù)控銑床刀軸箱原結(jié)構(gòu)進行動態(tài)性能分析，從中得出如下結(jié)論：

1）通過對刀軸箱進行模態(tài)分析，得出了刀軸箱前6階固有頻率和相應(yīng)振型?？梢灾庇^的分析刀軸箱動態(tài)特性，加之精度和使用要求等為依據(jù)，提出了具體優(yōu)化措施。

2）通過分析刀軸箱存在的問題，從根本上找到了提高刀軸箱動態(tài)性能及整機加工精度和精度穩(wěn)定性的措施。

參考文獻：

[1]張學(xué)玲,徐燕申,鐘偉泓.基于有限元分析的數(shù)控機床床身結(jié)構(gòu)動態(tài)優(yōu)化設(shè)計方法研究[J].機械強度,2005,27(3):353-357.

[2]徐燕申,張興朝,牛占文,趙相松.基于元結(jié)構(gòu)和框架優(yōu)選的數(shù)控機床床身結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計研究[J].機械強度,2001,23(1):l-3,110.

[3]陳靜,高福萬,楊賀來.石油篩管數(shù)控多刀銑床的研發(fā)[J].機械制造,2015,53(3):10-12.

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[5]劉永紅,李小朋,紀仁杰,等.復(fù)合縫腔割縫篩管的加工設(shè)備:中國,CN101088689A[P].2007-12-19.

[6]陳靜,楊賀來.梯形縫割縫篩管激光加工技術(shù)及裝備[J].機械制造,2010,48(8):45-47.

[7]高福萬,陳靜,楊賀來.不銹鋼梯形縫篩管加工技術(shù)研究[J].機械制造,2014,52(7):56-57.

[8]劉瑞芝.石油割縫管激光切割中的傳熱與熱應(yīng)力研究[D].天津:天津大學(xué),2001.