BPR6螺桿轉(zhuǎn)子磨床的關(guān)鍵技術(shù)及機床動態(tài)特性分析

虞榮華

(臺州北平機床有限公司，浙江 溫嶺317500)

機床是加工制造的最基本的設(shè)備，機床動態(tài)直接影響機床的加工精度及精度穩(wěn)定性。隨著經(jīng)濟及技術(shù)的發(fā)展 ,現(xiàn)代制造企業(yè)對機床的優(yōu)化設(shè)計提出了更高的要求。因此,機床結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析是工程項目中對故障進行診斷、對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化的重要參考依據(jù)。

國內(nèi)外很多學(xué)者都對機床的動態(tài)特性進行了深入研究。王禹林等[1]運用ANSYS Workbench有限元分析軟件對螺桿轉(zhuǎn)子磨床床身進行了動態(tài)特性分析，依據(jù)筋格元結(jié)構(gòu)動態(tài)特性分析的結(jié)果，對床身的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，從而改善了床身的動態(tài)性能。Aggogeri F等[2]針對影響機床動態(tài)特性的參數(shù)進行了精準(zhǔn)分析，同時利用模態(tài)仿真與模態(tài)實驗相對比的方式，驗證了與傳統(tǒng)材料(例如鋼、鑄鐵)相比，由輕量材料制成的結(jié)構(gòu)質(zhì)量更輕而且剛度更大，很好地滿足了在高速精加工時對于零件的要求。李哲[3]以滾齒軸箱作為研究對象，開展了靜力學(xué)及模態(tài)仿真，同時對零件進行了模態(tài)實驗和整機振動實驗，得到滾齒軸箱的低階固有頻率、模態(tài)振型以及零件的薄弱環(huán)節(jié)，為后續(xù)的拓撲優(yōu)化奠定了理論基礎(chǔ)。Lu Y[4]等針對動車車體彈性化轉(zhuǎn)向架進行模態(tài)分析，得出構(gòu)架的前10階模態(tài)振型對其振動特性的影響最大，產(chǎn)生的疲勞破壞也最為顯著，結(jié)合分析結(jié)論改進結(jié)構(gòu)來提高其動態(tài)性能。姬清華[5]等以立式加工中心為對象建立了機床的有限元模型，通過試驗測得了機床模態(tài)參數(shù)并與模擬結(jié)果進行比對。結(jié)果表明，機床前 4 階模態(tài)振型的模擬結(jié)果與試驗結(jié)果基本一致，并在此基礎(chǔ)上對機床立柱和主軸箱進行了合理優(yōu)化。

劉彥伯[6]根據(jù)有限元原理及其分析方法對某經(jīng)濟型數(shù)控車床床身進行模態(tài)分析和拓撲優(yōu)化，找到了原有機床結(jié)構(gòu)設(shè)計的不妥之處，并根據(jù)分析結(jié)果對機床床身進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，去除了多余材料并加強了結(jié)構(gòu)的薄弱部分。劉冰[7]基于 ANSYS 軟件對某型復(fù)合加工機床床身進行了動力學(xué)分析，得出了機床的前6階固有頻率及振型，通過對不同筋板結(jié)構(gòu)的床身模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，提出床身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案。閆書錦[8]對機床進行了有限元仿真模態(tài)分析,計算出前6階的固有頻率和振型,并進行模態(tài)試驗,對2種模態(tài)分析結(jié)果進行分析對比,辨識其薄弱環(huán)節(jié)并進行結(jié)果評價,證實了有限元仿真理論模型的正確性。韓佳雋[9]為保證接箍管螺紋機床的靜動態(tài)特性及螺紋加工精度,建立了機床的幾何模型和有限元模型對模型進行了靜力學(xué)分析、模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析,同時進行了以機床整機剛度為優(yōu)化目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計。陳丁[10]基于ANSYS Workbench平臺對工作臺建立了有限元模型,進行了計算模態(tài)分析,得到其固有頻率與振型;同時運用MEscope軟件對工作臺進行了實驗?zāi)B(tài)分析,在此基礎(chǔ)上對其進行以最大頻率為目標(biāo)的拓撲優(yōu)化,優(yōu)化后的工作臺各階固有頻率比優(yōu)化前有了較大提升。

本文首先論述了螺桿轉(zhuǎn)子磨床的若干關(guān)鍵技術(shù)，并以BPR6型機床為對象，建立了整機和關(guān)鍵部件有限元仿真模型，分析了機床整機和關(guān)鍵部件的動態(tài)特性，獲得了機床整機與關(guān)鍵零部件的固有頻率和振型，并對動態(tài)特性進行了分析。

對于螺桿壓縮機來說，最重要的零件就是一對相互嚙合的螺旋狀陰陽轉(zhuǎn)子，其幾何尺寸和端面齒形是壓縮機的性能和效率非常重要的決定因素。轉(zhuǎn)子之間的嚙合間隙、轉(zhuǎn)子齒頂與機殼的內(nèi)控間隙，都是依靠轉(zhuǎn)子零件加工精度來保證的。在平均直徑200 mm的前提下，間隙擴大0.01 mm，就會使壓縮機容積效率降低1%；排氣端面間隙從0.03 mm上升到0.08 mm時，壓縮機的功率消耗會提高1.5%。故而，對螺桿壓縮機制造企業(yè)而言，保證螺桿壓縮機轉(zhuǎn)子精度至關(guān)重要。

目前，廣泛使用的螺桿轉(zhuǎn)子精密加工技術(shù)是由西方發(fā)達國家研究的粗銑、精磨工藝方法。其特點是在系列專用數(shù)控螺桿轉(zhuǎn)子磨床上，基于成形砂輪對工件進行磨削加工的機理，建立與成型表面共軛的修整滾輪運動軌跡的數(shù)學(xué)模型，并通過數(shù)控裝置，控制砂輪修整器的兩軸運動，修出所需的砂輪成型表面，加工時砂輪與工件廓形全面接觸，利用專用機床的工作臺縱向運動、精密分度運動和砂輪的橫自進給運動，實現(xiàn)數(shù)控成形磨削，從而磨削出所需的工件形狀。螺桿轉(zhuǎn)子的精密加工采用大氣孔砂輪，緩進深切、強力磨削，加工時配置大流量高壓冷卻，保證較高的加工效率和加工精度。

該技術(shù)主要存在以下2個問題：

(1)該技術(shù)路線是先采用粗銑工藝，去除轉(zhuǎn)子大部分余量，再采用專用磨床精加工，占用機臺多，工作效率低，制造成本高。

(2)加工過程中，大氣孔砂輪易脫粒，采用砂輪修整器修整砂輪易產(chǎn)生修整誤差，砂輪輪廓改變而引起磨削后的轉(zhuǎn)子截型變化，從而降低了制造精度。

一方面，目前國內(nèi)略具規(guī)模的螺桿壓縮機生產(chǎn)制造企業(yè)大多使用進口設(shè)備，國內(nèi)數(shù)控螺桿轉(zhuǎn)子磨床市場幾乎被KAPP、HOLRYOD等國外公司壟斷，由于是壟斷型產(chǎn)品，貨期會排得很長，而且價格昂貴，用戶企業(yè)既需要長期等待，還要承擔(dān)高價格帶來的巨額經(jīng)濟負擔(dān)。另一方面，這些西方發(fā)達國家隨時都可能進行出口限制，將嚴重制約國內(nèi)螺桿壓縮機的生產(chǎn)，特別是在航空、航天及其他軍工等重點工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，甚至威脅國防安全。亟需國內(nèi)企業(yè)開發(fā)該產(chǎn)品，以滿足國內(nèi)螺桿壓縮機制造企業(yè)的需求。BPR6螺桿轉(zhuǎn)子磨床就是基于此背景下研制的。

1 BPR6螺桿轉(zhuǎn)子磨床研制關(guān)鍵技術(shù)

1.1 BPR6螺桿轉(zhuǎn)子磨床設(shè)計

BPR6螺桿轉(zhuǎn)子磨床采用全封閉式外罩，隔離內(nèi)部磨削加工區(qū)域，在更小的空間內(nèi)使用大流量的冷卻裝置，高溫磨削產(chǎn)生的油霧能得到快速回收，保持設(shè)備周邊環(huán)境的整潔、衛(wèi)生。BPR6螺桿轉(zhuǎn)子磨床外觀見圖1。

BPR6螺桿轉(zhuǎn)子磨床采用3+3的布局形式，砂輪水平移動X軸，砂輪垂直移動Z軸、弓箭前后移動Y軸，磨軸擺動分度B軸，工件旋轉(zhuǎn)C軸和磨軸A軸，工件轉(zhuǎn)動軸及升降臺上豎直軸向固連的砂輪旋轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸上裝有2個砂輪，帶動轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的電機直接裝于升降臺上，機床在水平移動軸上采用4根高精度高剛性直線滾柱導(dǎo)軌，大功率強力磨削，具有一次性完成粗磨、精磨且磨削加工精度較高的優(yōu)點。其內(nèi)部總結(jié)構(gòu)見圖2。

BPR6螺桿轉(zhuǎn)子磨床包含以下幾項關(guān)鍵技術(shù)：

(1)采用三維曲面數(shù)學(xué)建模產(chǎn)生的CBN成形砂輪、修整軟件及誤差自動補償技術(shù)。

本數(shù)控螺桿轉(zhuǎn)子磨床采用三維曲面數(shù)學(xué)建模產(chǎn)生的CBN成形砂輪，一體式電鍍粗精磨砂輪組合，實現(xiàn)高速磨削，無需砂輪修整，可長久地保證砂輪的外形輪廓。電鍍CBN砂輪的使用，大大降低了砂輪修整的誤差，消除了砂輪修整的工序占用輔助時間。

(2)在一臺機床上磨頭主軸上裝有2兩片CBN成形砂輪，實現(xiàn)在同一臺機床上進行粗、精磨。

直接驅(qū)動的砂輪軸上同時裝上2個CBN 磨輪，一體式電鍍粗精磨砂輪組合,2個磨輪按程序進入工作位置，可以粗磨和精磨工件在一次裝夾完成，可證機床批量生產(chǎn)的加工效率和精度。主軸轉(zhuǎn)速2 000～8 000 r/min，線速度達到時80～100 m/s,高轉(zhuǎn)速極大地提高磨削效率，同時延長電鍍CBN磨輪的使用壽命。批量生產(chǎn)時由于采用成形電鍍CBN磨輪，解決了復(fù)雜空間曲面的數(shù)學(xué)建模、修整軟件及誤差自動補償技術(shù)，這是螺桿轉(zhuǎn)子精密加工技術(shù)是必然趨勢。

由于采用大功率同步電機直驅(qū)砂輪軸，可大力矩輸出，做到粗磨替代傳統(tǒng)工藝的銑削加工序，大幅度提高了工作效率。

(3)適用于大螺旋角轉(zhuǎn)子磨削的雙砂輪軸支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計

螺桿磨床的電鍍CBN磨輪基體采用鋼制，且在磨軸上同時裝有2個電鍍CBN 磨輪，其質(zhì)量比較大，特別是在高轉(zhuǎn)速的工作條件下對于動平衡極其敏感，將直接影響主軸壽命和加工質(zhì)量。為確保機床高效穩(wěn)定地磨削加工，需在主軸對面附加一個輔助支撐，以提高磨削剛性和精度。高速磨削將產(chǎn)生大量的熱量，使磨軸產(chǎn)生微量伸長，在保證主軸端面定位不變的條件下，需在磨軸另一端加裝高精度浮動支撐機構(gòu)。本磨床采用橡膠自適應(yīng)調(diào)整高精度浮動支撐，在外圓和端面均加裝了可以微量變形的橡膠調(diào)整件，以適應(yīng)磨削時的剛性和變形，有效保證磨削精度和提高主軸使用壽命，見圖3。

(4)減小熱變形引起誤差的技術(shù)措施

為了提高機床的的精度，減少熱形對加工精度的影響，基礎(chǔ)大件均采用計量級天然花崗石；采用天然花崗巖材質(zhì)的大理石床身具有以下幾個優(yōu)點：

①精度高：一般情況下，天然花崗巖材質(zhì)的大理石床身通過人工研磨形成的大理石床身精度級別可以達到0級，而采用HT300或者HT2500鑄造成的鑄鐵床身精度級別一般不會超過2級(精度級別：0級>1級>2級>3級)。

②線膨脹系數(shù)小(3×10-6/K)，大約是鑄鐵的1/3。

③吸振性能好，比傳統(tǒng)鑄鐵的吸振性能好10倍，可有效降低噪音，能大幅降低振幅和固有頻率。

綜上所述，天然花崗巖材質(zhì)的大理石床身非常適合高精度磨床床身等大型構(gòu)件。

(5)精密傳動鏈設(shè)計技術(shù)

為了提高機床加工精度，最大限度減少機床傳動鏈，本機床直線軸采用直線電機驅(qū)動，用高精度直線光柵作為檢測元件，全閉環(huán)控制，分度軸采用力矩電機驅(qū)動，高精度旋轉(zhuǎn)光柵檢測旋轉(zhuǎn)角度，全部閉環(huán)控制，從而最大限度保證機床傳動精度和運動穩(wěn)定性。也大幅度減小了由于傳動件如絲杠等旋轉(zhuǎn)帶來的噪音，消除了滾珠絲桿傳動磨損產(chǎn)生精度降低的隱患。

為了提高機床剛性及精度，機床各移動軸均采用4根高精度高剛性直線滾柱導(dǎo)軌支撐。

(6)專用智能菜單式磨削軟件的開發(fā)

菜單式加工功能庫，根據(jù)用戶的圖紙，使系統(tǒng)自動生成砂輪修整軌跡或?qū)胍延猩拜嗆壽E數(shù)據(jù)，實現(xiàn)加工過程的自動化及網(wǎng)絡(luò)化，有利于提高加工效率和降低生產(chǎn)成本,增強了系統(tǒng)的靈活性和適用性。

智能螺桿轉(zhuǎn)子磨削數(shù)字總線式控制系統(tǒng)，可根據(jù)智能工廠及云技術(shù)應(yīng)用需求基于WINDOWS操作平臺任意搭配3D模擬磨削軟件、也可采用開源數(shù)字控制器擴展嵌入式工業(yè)觸摸屏，具有更佳的智能操作體驗及友好的操作界面。

應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)云端控制技術(shù)，可以進行生產(chǎn)線聯(lián)機、實現(xiàn)磨削加工、自動檢測和激光打標(biāo)等工序集成的自動化生產(chǎn)，可進行實時數(shù)據(jù)采集進行遠程診斷、維護、檢測及管理等工作。順應(yīng)兩化融合的新時代趨勢，友好的機床操作介面，菜單式操作，只需輸入相應(yīng)的加工參數(shù)，即可實現(xiàn)批量化加工。菜單式操作界面見圖4。

其他方面，從用戶角度出發(fā)，細化設(shè)計，例如全封閉式外罩，內(nèi)部磨削區(qū)域的隔離，使更小空間大流量的冷卻，高溫磨削產(chǎn)生的油霧能得到快速回收，盡量保持生產(chǎn)現(xiàn)場空氣清潔等。

1.2 BPR6螺桿轉(zhuǎn)子磨產(chǎn)品測試、技術(shù)指標(biāo)對比及用戶使用情況

機床經(jīng)國家機床質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心檢測，所測主要技術(shù)指標(biāo)符合GB 15760-2004、GB 5226.1-2008的規(guī)定。

機床主要技術(shù)參數(shù)與國外機床對比情況見表1。

表1 主要技術(shù)參數(shù)對比

本機床的研制開發(fā)是基于客戶的特殊需求，實現(xiàn)陰陽轉(zhuǎn)子的高精度加工而開發(fā)的，該機床在溫嶺某壓縮機股份有限公司經(jīng)7×24 h不間斷運行，磨削后的螺桿導(dǎo)程精度0.02 mm，齒形偏差±0.02 mm，符合客戶要求，得到了充分肯定。至今，該機床在用戶應(yīng)用了2年。使用公司認為：BPR6螺桿轉(zhuǎn)子磨床針對各類異性螺桿、陰陽轉(zhuǎn)子的加工精度和加工效率符合公司要求。經(jīng)超2 000 h的長測后，加工精度的穩(wěn)定性和機床的可靠性等方面已經(jīng)接近歐洲同類產(chǎn)品水平。

2 轉(zhuǎn)子磨床模態(tài)分析

為了評估機床整機動態(tài)特性，應(yīng)用有限元軟件建立了機床整機和關(guān)鍵零部件的三維有限元仿真模型。

2.1 機床整機及關(guān)鍵部件有限元建模

在對各個部件進行分析的同時還要對整機進行整體模態(tài)分析。轉(zhuǎn)子磨床床身的大型構(gòu)件是關(guān)鍵的承載大件,其動靜態(tài)性能的好壞將直接影響整機的加工精度和穩(wěn)定性，分析這些部件的動態(tài)特性將為實現(xiàn)床身的快速優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。但在設(shè)計中, 僅局限于機床和各個部件的分析都無法反映機床的整體性能。因此,要對機床性能進行準(zhǔn)確的預(yù)測，還必須對機床整機進行動力學(xué)分析。有限元分析是一種用來分析計算復(fù)雜結(jié)構(gòu)的極為有效的數(shù)值計算方法,為機床的模態(tài)分析提供了有力的工具。本文利用通用有限元軟件對轉(zhuǎn)子磨床進行了零部件-整機模態(tài)分析。

將建好的xt模型導(dǎo)入三維建模軟件中，轉(zhuǎn)子磨床的的實際結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，有繁多的筋板、曲面和窗孔 ,各處厚度不相同, 幾何形狀也多變，此外，為提高網(wǎng)格質(zhì)量及節(jié)省計算時間，簡化幾何模型中對數(shù)值計算結(jié)果幾乎無影響的螺孔、倒角及圓角等微小特征結(jié)構(gòu)。在三維建模軟件中修復(fù)實體存在困難，可以拆分主要部件導(dǎo)入幾何處理模塊對模型進行填充操作，最后進行重新裝配得到機床模型簡化圖如圖5所示。

將簡化好的模型導(dǎo)入有限元軟件中，按照機床在設(shè)計時的材料表分別賦予各部件對于的材料屬性。在床身底面螺孔 處施加固定約束，設(shè)置實際工作時與工件直接接觸的2個工作臺支撐座底座的網(wǎng)格尺寸進行細化，其他非直接接觸結(jié)構(gòu)件的網(wǎng)格尺寸為25 mm，得到的床身有限元模型如圖6所示，節(jié)點數(shù)為342 318、單元數(shù)為269 263。

根據(jù)實際安裝條件，對整機進行有限元分析時需要設(shè)置相應(yīng)的約束條件。因為邊界條件不同，導(dǎo)致有限元分析計算的結(jié)果也不一樣。其中主要包括底座與地面 采用地腳螺檢形成螺栓連接面，導(dǎo)軌和滑塊連接面、工作臺基座導(dǎo)軌和滑塊的連接面。對滑塊導(dǎo)軌進行約束與移動方向垂直的自由度。底座與地面接觸部分設(shè)為固定約束，然后設(shè)置模態(tài)計算數(shù)量為前10階。

2.2 整機模態(tài)分析

對于機床移動部件實驗平臺整機而言，可忽略熱應(yīng)力的影響，實驗平臺主要承受載荷來自于自身的重力以及沖擊載荷，考慮到過高的頻率對本試驗臺參考無意義，因此取計算結(jié)果 200 Hz 以內(nèi)的模態(tài)振型和固有頻率，其分析結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，整機振型不會突變，機床的頻率變化平滑，動態(tài)特性良好。整機的前6階模態(tài)頻率如表 2 所示。機床的的固有頻率在 70～150 Hz ，該振動頻率范圍均比蝸輪箱等部件的固有頻率低。這說明渦輪箱的回轉(zhuǎn)振動一般不會引起機床的共振，相對來說比較安全，但在工作環(huán)境中應(yīng)盡量避免以上頻率的出現(xiàn)。整機1階振型是沿Y軸擺動；第2階床身沿X軸扭轉(zhuǎn)擺動；第3階床身沿X軸擺動，蝸輪箱點頭擺動；第4階基座在Y工作臺尖角處擺動；第5階基座在蝸輪箱處擺動，蝸輪箱會有微小振幅；第6階基座四角端出現(xiàn)波浪型起伏振動。根據(jù)上述振型分析，前3階振型比較影響加工精度，后3階對加工精度影響較小。對整機進行的分析過程中，基座部分出現(xiàn)了局部振型，尤其出現(xiàn)了彎振，基座部位的局部剛度還比較薄弱。

2.3 部件模態(tài)分析

由圖8～13可知，X軸大理石固定臺、Y軸工作臺、蝸輪箱、基座模態(tài)和大理石底座1階固有頻率分別為621 Hz、170 Hz、557 Hz、33 Hz和242 Hz。除基座外，其余關(guān)鍵零部件第1階固有頻率均較高，即高于機床整機固有頻率。基座前3階分別為33 Hz、96 Hz和112 Hz，1階模態(tài)沿對角線扭動，2階模態(tài)繞Y軸擺動，3階模態(tài)沿支點上下波動。雖然基座單獨固有頻率較低，但當(dāng)各零件裝配后，整機固有頻率高于基座的固有頻率，即其他部組件的裝配，可以一定程度上彌補底座剛度不足的問題。然而，為了提高機床的整機動、靜態(tài)特性，仍需要對基座的結(jié)構(gòu)進行提高和改進。

3 結(jié)語

本文論述的BPR6螺桿轉(zhuǎn)子磨床，針對目前國際普遍應(yīng)用的螺桿磨削技術(shù)存在的2個問題，提出創(chuàng)新性技術(shù)解決方案，即在一臺機床的磨頭主軸上安裝2片CBN成形砂輪，實現(xiàn)在同一臺機床上進行粗、精磨削；采用適用于大螺旋角轉(zhuǎn)子磨削的雙砂輪軸輔助浮動支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計。基礎(chǔ)大件均采用計量級天然花崗石；機床直線運動軸采用直線電機驅(qū)動，旋轉(zhuǎn)分度軸采用力矩電機直接驅(qū)動，各軸全部采用高精度光柵作為檢測元件，實現(xiàn)全閉環(huán)控制，大幅度提高機床傳動精度和運動穩(wěn)定性的同時，減小機械傳動噪音，消除滾珠絲桿傳動磨損產(chǎn)生的精度降低隱患。機床用4根高精度高剛性直線滾柱導(dǎo)軌支撐，進一步提高剛性。自主開發(fā)了智能菜單式磨削軟件，采用菜單式加工功能庫，支持系統(tǒng)自動生成砂輪修整軌跡或?qū)胍延猩拜嗆壽E數(shù)據(jù)，實現(xiàn)加工過程的自動化，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)云端控制技術(shù)，可以進行生產(chǎn)線聯(lián)機、實現(xiàn)磨削加工、自動檢測和激光打標(biāo)等工序集成的自動化生產(chǎn)，可進行實時數(shù)據(jù)采集進行遠程診斷、維護、檢測及管理等工作。

該產(chǎn)品的推出，可以緩解螺桿壓縮機生產(chǎn)制造企業(yè)對KAPP和HOLRYOD等國外公司昂貴產(chǎn)品的依賴性，減輕用戶的經(jīng)濟負擔(dān)，縮短企業(yè)技改周期，還可以打破國外企業(yè)對航空、航天及其他軍工等企業(yè)的技術(shù)封鎖，對國防工業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

從對機床的模態(tài)進行有限元分析可以得出，機床整體一階頻率為70.96 Hz，除基座部件一階頻率為33 Hz低于機床整體一階頻率外，其他部件一階頻率均遠高于機床整體固有一階頻率?？赏ㄟ^增大基座質(zhì)量或者基座剛度來提高基座的一階頻率以及機床整體的一階頻率，從而使得整體機床的動態(tài)特性更可靠。