大型數(shù)控磨床工件支撐單元設(shè)計(jì)研究

馬 琳

（河鋼集團(tuán)邯鋼公司連鑄連軋廠，河北 邯鄲 056015）

中心架本身的重要性不言而喻，并且其質(zhì)量對(duì)加工作業(yè)產(chǎn)生極大影響。針對(duì)磨床設(shè)備作業(yè)存在的問題，對(duì)其工件支撐進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用三角形的設(shè)計(jì)為設(shè)備提供支撐，利用鋸齒連接保證設(shè)備的穩(wěn)定性。對(duì)中心架的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，消除設(shè)備作業(yè)產(chǎn)生的有害振動(dòng)，提升作業(yè)質(zhì)量。通過建立三維實(shí)體模型，采用有限元模型分析，獲得動(dòng)態(tài)模型的固有振動(dòng)頻率與振動(dòng)類型，使用Block lanczos法對(duì)其進(jìn)行分析，獲得最終的結(jié)果驗(yàn)證中心架設(shè)計(jì)的可行性。

1 數(shù)控磨床的工件支撐要求

1.1 支承件概述

對(duì)于工件支撐的基本需求需要保證具備剛度、抗震等性能，同時(shí)保障吊運(yùn)的安全。工件支撐在數(shù)控設(shè)備中的作用是提供強(qiáng)大的支撐。支承件本身包括底座、升降臺(tái)等多個(gè)部分。其存在主要目的是提供支承，因?yàn)闄C(jī)床切削作業(yè)期間，設(shè)備運(yùn)作會(huì)承受一定自重與切削力等，缺乏支撐難以保障作業(yè)的有效性；其次是機(jī)床長(zhǎng)期使用后，各部件之間的位置是否能保持對(duì)應(yīng)的運(yùn)行軌跡。

1.2 支承件的設(shè)計(jì)需求

支承件包含較多的品種類型，并且根據(jù)需求不同，設(shè)計(jì)成各種形狀和尺寸，但是對(duì)于其實(shí)際應(yīng)用都需要滿足以下的幾點(diǎn)需求。

（1）剛度。支承件的剛度這是具體是指工作期間，基于恒定載荷的作用下，對(duì)載荷的抗變形能力。載荷作用下的對(duì)抗力分為靜和動(dòng)兩種剛度，設(shè)備進(jìn)行切削作業(yè)時(shí)，機(jī)床的工件質(zhì)量與設(shè)備零件等存在一定的重力，在此作用下支承件本身與其他部件接觸后產(chǎn)生了變形現(xiàn)象。這樣一來，機(jī)床原本的幾何精度遭到破壞，進(jìn)而對(duì)定位的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。對(duì)此，支承件要保證有足夠的剛度，在載荷作用下變形值不超出標(biāo)準(zhǔn)范圍，才能保證設(shè)備運(yùn)作的有效性。通常說到的剛度多指靜剛度，而靜剛度與材料本身與形狀相關(guān)。接觸材料的尺寸、硬度與加工方式也與靜剛度有關(guān)。

（2）動(dòng)態(tài)特性。對(duì)于支承件的性能要求，還需要具備動(dòng)態(tài)特性。其中包含動(dòng)剛度與阻尼，滿足條件的基礎(chǔ)上，與設(shè)備的其他部件配合不至于產(chǎn)生不良的動(dòng)態(tài)振動(dòng)，也不會(huì)產(chǎn)生有害的振動(dòng)噪聲等。

（3）熱變形。機(jī)床在作業(yè)的過程中，內(nèi)部的傳動(dòng)系統(tǒng)等機(jī)械類零部件，在設(shè)備切削過程中都會(huì)存逐漸發(fā)熱，溫度不斷的上升也會(huì)對(duì)機(jī)床中支承件溫度帶來影響，造成熱變形現(xiàn)象。受到環(huán)境溫度影響，對(duì)機(jī)床工作也會(huì)造成影響，造成作業(yè)精度下降，難以保障機(jī)床作業(yè)的質(zhì)量。精密性對(duì)于機(jī)床類的設(shè)備作業(yè)有關(guān)鍵的作用，需要對(duì)支承件熱變形現(xiàn)象加以控制，通常會(huì)采用改善散熱條等方式，減緩熱變形帶來的影響[1]。

（4）內(nèi)應(yīng)力。支承件在各環(huán)節(jié)的加工過程中，應(yīng)用的材料內(nèi)部會(huì)在加工工藝下出現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力變形的現(xiàn)象。加工使用造成內(nèi)應(yīng)力重新分布等變化，進(jìn)而對(duì)內(nèi)部應(yīng)力造成影響，出現(xiàn)變形，超出實(shí)際的使用范圍。對(duì)此，設(shè)計(jì)支承件結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)基于結(jié)構(gòu)與材料兩方面入手，要盡可能保證其應(yīng)力保持較小的范圍。對(duì)于鑄造的立柱等大型工件，應(yīng)保證金屬在結(jié)構(gòu)上的有效分布，避免不均勻現(xiàn)象產(chǎn)生，在焊接等工藝結(jié)束后及時(shí)處理。

（5）其他。對(duì)于支承件的設(shè)計(jì)，需要保證設(shè)備切削的通暢性，便于吊運(yùn)與操作。對(duì)于使用的潤(rùn)滑油等要配置較好的回收工藝。支承件的性能尤其重要，對(duì)機(jī)床產(chǎn)生直接影響。支承件的重要性占據(jù)機(jī)床重量80%以上，在對(duì)其設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)支承件的性能加以驗(yàn)證，滿足數(shù)控機(jī)床的實(shí)際作業(yè)需求。

2 數(shù)控磨床作業(yè)期間存在的問題

結(jié)合上述機(jī)床中工件支撐的實(shí)際設(shè)計(jì)需求，大型數(shù)控磨床在實(shí)際加工期間，會(huì)因?yàn)榧庸さ妮S類零件長(zhǎng)度超出工件剛性，難以保障加工精度與質(zhì)量。對(duì)此，需要為機(jī)床配置中心架有效的支撐工件。對(duì)于加工的長(zhǎng)軸類型零件，需要中心架保障穩(wěn)定性。因?yàn)闄C(jī)床加工作業(yè)期間，磨削作業(yè)都是采用專用卡盤固定，這樣一來在實(shí)際作業(yè)時(shí)，零件受到自身重力與磨削作業(yè)影響，致使工件出現(xiàn)變形。工件在設(shè)備磨削作業(yè)時(shí)，產(chǎn)生的振動(dòng)導(dǎo)致超差現(xiàn)象出現(xiàn)，增設(shè)中心架為其輔助，有效提升零件的剛性。在作業(yè)時(shí)將不會(huì)出現(xiàn)超差等現(xiàn)象，避免振動(dòng)現(xiàn)象出現(xiàn)，更有效的保證設(shè)備加工過程的平穩(wěn)運(yùn)行。據(jù)此，可以看出中心架對(duì)于數(shù)控機(jī)床的重要性。

現(xiàn)有某公司的大型數(shù)控磨床設(shè)備，該設(shè)備從2014年使用以來，在精磨作業(yè)中，經(jīng)常產(chǎn)生振紋現(xiàn)象。導(dǎo)致加工的零件難以滿足設(shè)計(jì)需求，造成大量的曲軸報(bào)廢，對(duì)公司的經(jīng)濟(jì)造成極大的損失。生產(chǎn)廠家曾上門維修，未能有效解決軸頸表面出現(xiàn)的振紋現(xiàn)象。為了避免公司的損失增大，針對(duì)上述問題進(jìn)行技術(shù)研究。對(duì)設(shè)備的實(shí)際故障原因進(jìn)行探究，經(jīng)過一系列的故障疑點(diǎn)排除診斷后，發(fā)現(xiàn)問題集中在中心架的質(zhì)量上，中心架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不科學(xué)，存在傳動(dòng)部分承軸與其他結(jié)構(gòu)之間間隙過大，這種設(shè)計(jì)難以對(duì)其進(jìn)行修復(fù)；在支撐點(diǎn)的位置采用的固定螺釘，難以保證緊固性，導(dǎo)致支撐結(jié)構(gòu)存在竄動(dòng)的現(xiàn)象。同時(shí)基于剪切力極易導(dǎo)致螺釘斷裂，使負(fù)載落在齒輪上，對(duì)齒輪運(yùn)行造成影響；此外，浮動(dòng)磨削時(shí)，設(shè)備運(yùn)作造成中心架變形，降低結(jié)構(gòu)的剛性[2]。

3 磨床支撐單元設(shè)計(jì)

3.1 解決方法

針對(duì)大型數(shù)控磨床存在的磨削作業(yè)振動(dòng)問題，可以看出現(xiàn)有的中心架難以滿足當(dāng)前公司加工產(chǎn)品的需求。對(duì)此，結(jié)合導(dǎo)致設(shè)備故障的原因，對(duì)中心架重新設(shè)計(jì)。

（1）主傳動(dòng)設(shè)計(jì)。對(duì)于數(shù)控磨床來說，絲杠螺母是常見的傳動(dòng)方式，具有較高的作業(yè)效率，傳動(dòng)精度高，同時(shí)也便于對(duì)其維修和安裝，人工操作可以直接轉(zhuǎn)換其載荷軸的向力。因此，對(duì)主傳動(dòng)的設(shè)計(jì)，改成采用絲杠螺母，更有效的轉(zhuǎn)換載荷。

（2）三角支撐。為了加強(qiáng)設(shè)備運(yùn)行主支撐的有效性，對(duì)其優(yōu)化設(shè)計(jì)成三角支撐，三角形的支撐有助于提供更強(qiáng)的穩(wěn)定性，同時(shí)三角形可以實(shí)現(xiàn)半徑范圍內(nèi)的自由調(diào)整。

（3）支撐座設(shè)計(jì)。對(duì)于支撐座的設(shè)計(jì)，采用鋸齒連接的方式。因?yàn)橹巫遣捎娩摬馁|(zhì)打造的，在應(yīng)用上具有較好的機(jī)械性能，保證了作業(yè)的加工精度。鋸齒連接可以承受更多的軸向載荷。將主鋸齒的位置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成U型，更有助于實(shí)現(xiàn)自由調(diào)節(jié)，固定的時(shí)候采用M12型號(hào)的螺栓。

3.2 中心架模態(tài)分析

（1）中心架受力情況。根據(jù)上述的設(shè)計(jì)方案，最終設(shè)計(jì)完成的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 中心架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

從簡(jiǎn)易設(shè)計(jì)圖中可以看到，加入三角支撐與鋸齒連接后，更有助于實(shí)現(xiàn)支撐座垂直方向的調(diào)節(jié)[3]。由于平面匯交力系使用合力代替，對(duì)此需要的充分條件是保證合力為零，也就是公式1∑Fi=（01）所示。磨床日常加工時(shí)，中心架應(yīng)用三角支撐架，工件與鉸鏈分別對(duì)支撐架產(chǎn)生作用力，結(jié)合絲杠螺母的作用力，得出公式2∑Fx= 0 ， ∑Fy=（02），據(jù)此對(duì)支撐應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，即公式3

按照公式對(duì)設(shè)備支撐的曲軸受力成礦進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)公式1得出公式4；聯(lián)合公式3和4，獲得公式5

根據(jù)公司內(nèi)部使用的曲軸，其質(zhì)量為4.95T，在磨削作業(yè)時(shí)通常采用五個(gè)中心架為其提供支撐，據(jù)此獲得公式6

根據(jù)強(qiáng)度核對(duì)公式 ：≤[σ],可 以計(jì)算出σ1σ2σ3，結(jié)果顯示的參數(shù)小于許用應(yīng)力，可以滿足數(shù)控磨床在作業(yè)中的各項(xiàng)載荷作用。

（2）中心架模態(tài)情況。因中心架的結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，為了方便建立中心架模型，對(duì)其進(jìn)行有限元模型分析與網(wǎng)格劃分，有效分析中心架的相關(guān)數(shù)據(jù)，保證中心架設(shè)計(jì)的特性結(jié)果有真實(shí)效果。在建立中心架的三維實(shí)體模型時(shí)，將模型中存在的一些倒角、圓角等特征統(tǒng)一去除，利用當(dāng)前的三維繪圖軟件根據(jù)中心架的實(shí)際情況構(gòu)建實(shí)體模型。

建立完成的中心架有限元模型，選用的制作材料為45#鋼，對(duì)應(yīng)使用的材料參數(shù)中，彈性模量220/Gpa；密度為7885kg/m3；確定好各項(xiàng)參數(shù)后，對(duì)中心架的有限元模型進(jìn)行加位移約束。模型的力學(xué)分析過程中，其固有的振動(dòng)頻率與類型是動(dòng)力學(xué)研究的重點(diǎn)問題，對(duì)中心架的振頻等進(jìn)行分析計(jì)算的時(shí)候，可以發(fā)現(xiàn)中心架的結(jié)構(gòu)阻尼對(duì)于計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生的影響較小。使得計(jì)算的過程中，會(huì)將結(jié)構(gòu)阻尼這項(xiàng)因素忽略。對(duì)此，對(duì)于中心架無阻尼的計(jì)算為；在公式7中，M代表的是結(jié)M+Kδ=（07）構(gòu)的質(zhì)量矩陣；K則代表速度矩陣；δ為速度矢量，計(jì)算后獲得結(jié)果δ=φsin（ωt +φ）（8）；將公式8代入公式7,可以獲得(K-ω2M)φ=（09）；當(dāng)公式中非零解的條件為系數(shù)行列為0，對(duì)此。也就是當(dāng)K值和M值都為正定矩陣，根據(jù)公式10可以求出特征值的個(gè)數(shù)，根據(jù)特征值的平方根獲得系統(tǒng)的固有頻率，ω1〈ω2〈ω3〈…〈ωn，這里稱為1階到n階的固有振動(dòng)頻率。使用任意的固有頻率都能有效對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的振幅進(jìn)行計(jì)算，但是振幅值并不是唯一的，其構(gòu)成是基于中心架的模態(tài)構(gòu)成，也就是結(jié)構(gòu)的固有振型[4]。

基于此，對(duì)中心架的模態(tài)進(jìn)行分析。根據(jù)低階模態(tài)結(jié)果分析，其對(duì)中心架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響最大。因此選擇前幾段的頻率與振型，便能對(duì)中心架的結(jié)構(gòu)特征做出有效的分析。結(jié)合固有頻率與振型，可以發(fā)現(xiàn)中心架下部分承受的頻率小于結(jié)構(gòu)自身振頻頻率。對(duì)此，在實(shí)際加工的過程中，中心架不會(huì)因?yàn)楣に嚦霈F(xiàn)自身振動(dòng)導(dǎo)致尺寸超差等問題，可以保證結(jié)構(gòu)作業(yè)的穩(wěn)定性。

3.3 驗(yàn)證結(jié)果

最后，將設(shè)計(jì)的中心架應(yīng)用在公司的大型數(shù)磨床設(shè)備中，經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)本次設(shè)計(jì)的中心架在磨床中具有較好的性能。經(jīng)過一段時(shí)間的曲軸試用加工作業(yè)，發(fā)現(xiàn)中心架的各項(xiàng)功能均能滿足曲軸加工的實(shí)際需求，減少了公司加工產(chǎn)品的損失，幫助公司獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益。結(jié)果驗(yàn)證了，對(duì)中心架進(jìn)行優(yōu)化，三角形的支撐架，更有助于提升作業(yè)的穩(wěn)定性。減少有害振動(dòng)噪音出現(xiàn)，保障設(shè)備運(yùn)行的同時(shí)，擴(kuò)大了中心架的調(diào)節(jié)條件，可以更自由的進(jìn)行調(diào)節(jié)。采用專門的軟件簡(jiǎn)歷實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，有效縮短計(jì)算時(shí)間，也驗(yàn)證了此方法可以應(yīng)用于公司的磨床作業(yè)中，保障工作性能的可靠性。

3.4 中心架其他設(shè)計(jì)構(gòu)想

對(duì)于中心架的設(shè)計(jì)，本次對(duì)其支撐點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。未來有意向?qū)?shù)控磨床的中心架進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，結(jié)合多個(gè)軸向進(jìn)行調(diào)節(jié)，與電機(jī)連接，通過聯(lián)軸器和滾珠絲杠，有效將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化，同時(shí)與底座的螺母連接在一起，形成新的結(jié)構(gòu)。通過優(yōu)化中心支撐架，確保支撐架實(shí)現(xiàn)三向調(diào)節(jié)，擴(kuò)大作業(yè)范圍降低制作成本，為公司帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

綜上所述，經(jīng)過對(duì)中心架的設(shè)計(jì)，采用三角形支架，利用鋸齒連接有效保障了設(shè)備的穩(wěn)定性。對(duì)磨床中心架進(jìn)行優(yōu)化，消除振動(dòng)現(xiàn)象出現(xiàn)，更有效的保障作業(yè)的質(zhì)量。采用專業(yè)的三維建模軟件構(gòu)進(jìn)行有限元分析，建立中心架模型。利用網(wǎng)格劃分軟件優(yōu)化劃分質(zhì)量，減少計(jì)算的時(shí)間。對(duì)中心架的實(shí)際受力情況進(jìn)行分析，獲得中心架的不同振動(dòng)頻率與振動(dòng)類型，結(jié)合分析結(jié)果可以驗(yàn)證設(shè)計(jì)有助于避開共振區(qū)，實(shí)現(xiàn)高效作業(yè)。本次的設(shè)計(jì)獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)，對(duì)于以后的中心架設(shè)計(jì)也提供一定的參考經(jīng)驗(yàn)。