臥式加工中心主軸箱懸伸結(jié)構(gòu)靜力學(xué)與模態(tài)分析

王 銳

通用技術(shù)沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司 沈陽(yáng) 110141

1 分析背景

臥式加工中心是軍工、航空、航天、能源、汽車、工程機(jī)械等領(lǐng)域不可或缺的重要加工設(shè)備,具有加工范圍廣、加工效率高、剛性好的特點(diǎn),特別適用于箱體類零部件的加工[1-3]。主軸箱作為臥式加工中心的主要部件之一,安裝有刀具和主傳動(dòng)系統(tǒng),其性能直接影響臥式加工中心的加工精度和使用性能。

目前,在機(jī)床主軸箱結(jié)構(gòu)及性能的研究中,針對(duì)立式加工中心主軸箱的研究較多,對(duì)于臥式加工中心主軸箱的研究則相對(duì)較少。謝軍等[4]、石云等[5]、羅生梅等[6]對(duì)立式加工中心主軸箱靜動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究,并通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化方法,達(dá)到了各自的優(yōu)化目標(biāo)。陶濤等[7]對(duì)立式加工中心主軸箱采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與灰色關(guān)聯(lián)分析相結(jié)合的方法,進(jìn)行輕量化和熱態(tài)特性的綜合優(yōu)化,使主軸箱的質(zhì)量和熱變形量均有不同程度的減小。陳鵬[8]對(duì)龍門加工中心主軸箱進(jìn)行模態(tài)特性分析及優(yōu)化研究,使主軸箱的質(zhì)量有所減小,剛性和固有頻率有所提高。李建等[9]對(duì)數(shù)控車床主軸箱進(jìn)行動(dòng)靜態(tài)分析,應(yīng)用多目標(biāo)多尺寸的優(yōu)化分析,對(duì)主軸箱箱體進(jìn)行有限元分析及優(yōu)化設(shè)計(jì),結(jié)果表明,優(yōu)化后箱體的結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度變化不大,固有頻率有所降低,質(zhì)量有所減小。歐昭等[10]對(duì)臥式側(cè)掛式主軸箱進(jìn)行模態(tài)分析,并對(duì)關(guān)鍵尺寸進(jìn)行優(yōu)化,使主軸箱的質(zhì)量有所減小,動(dòng)態(tài)性能得到提升。

為了進(jìn)一步優(yōu)化臥式加工中心主軸箱的結(jié)構(gòu)及性能,筆者對(duì)常見(jiàn)臥式加工中心主軸箱的兩種不同結(jié)構(gòu),采用有限元方法理論,從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能兩方面進(jìn)行對(duì)比分析,以探索更優(yōu)的結(jié)構(gòu)方案。

對(duì)于臥式加工中心,為了滿足主軸鼻端到工作臺(tái)中心的距離要求,主軸鼻端需要有一定的懸伸,常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)有兩種,如圖1所示。

▲圖1 常見(jiàn)主軸箱結(jié)構(gòu)

延長(zhǎng)套式主軸箱在主軸箱體和主軸之間采用延長(zhǎng)套的形式,增加主軸的懸伸,延長(zhǎng)套多為鋼材質(zhì),經(jīng)車削及鉆孔攻絲而成。整體式主軸箱可以理解為將延長(zhǎng)套與主軸箱體合為一體。兩種方案在制造難度和成本方面差異不大,筆者將著重在使用性能方面通過(guò)靜力學(xué)分析和模態(tài)分析,對(duì)兩種方案進(jìn)行比較。

2 有限元建模

對(duì)于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的靜力學(xué)分析,通常采用有限單元法。有限單元法是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的一種現(xiàn)代設(shè)計(jì)計(jì)算方法[11],屬于基于結(jié)構(gòu)離散技術(shù)的數(shù)值方法。

有限元計(jì)算的準(zhǔn)確性依賴于正確、有效的有限元建模。對(duì)于兩種不同形式的主軸箱結(jié)構(gòu),簡(jiǎn)化不必要的零件,應(yīng)用SolidWorks軟件進(jìn)行建模,主軸箱三維模型如圖2所示。將所建立的模型導(dǎo)入SolidWorks軟件Simulation插件,主軸箱的材料選擇為灰鑄鐵,彈性模量為11 GPa,泊松比為0.31,密度為7 200 kg/m3。延長(zhǎng)套和主軸材料選擇為合金鋼,彈性模量為210 GPa,泊松比為0.28,密度為7 700 kg/m3。

▲圖2 主軸箱三維模型

實(shí)際切削狀態(tài)下的受力情況如圖3所示。以面銑刀銑削加工為例,刀具進(jìn)行橫向切削時(shí),主軸鼻端主要受到切削工件而產(chǎn)生的軸向抗力Fa、徑向抗力Ff、扭矩M。其中,Fa和Ff通過(guò)主軸前軸承作用于主軸外殼,進(jìn)而傳遞給主軸箱。扭矩M由主軸箱后方的主電機(jī)產(chǎn)生,通過(guò)電機(jī)連接板作用于主軸箱。此外,主軸箱內(nèi)部還有因皮帶脹緊而產(chǎn)生的一對(duì)相反力F1和F2。主軸箱的運(yùn)動(dòng)由滑塊和絲母進(jìn)行限制。

▲圖3 實(shí)際切削狀態(tài)下受力

根據(jù)臥式加工中心預(yù)定的切削性能,徑向抗力Ff取1 300 N,軸向抗力Fa取1 380 N,扭矩M取200 N·m。按照切削狀態(tài)下的刀尖位置,對(duì)主軸箱施加相應(yīng)的載荷。皮帶脹緊力F1和F2通過(guò)查閱相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[12]加以計(jì)算,取3 000 N。考慮主軸箱自身的質(zhì)量為250 kg,為盡可能準(zhǔn)確模擬主軸箱真實(shí)受力狀態(tài),各零部件之間的安裝面連接剛度根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置為7×109N/m。對(duì)主軸箱的絲母座安裝面、滑塊安裝面進(jìn)行相應(yīng)約束,進(jìn)而完成邊界條件的設(shè)定。應(yīng)用Simulation插件的網(wǎng)格劃分功能,采用四面體實(shí)體網(wǎng)格,對(duì)兩種不同形式懸伸結(jié)構(gòu)的主軸箱模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分完成之后,延長(zhǎng)套式主軸箱的節(jié)點(diǎn)數(shù)為46 730,網(wǎng)格單元數(shù)為26 711;整體式主軸箱的節(jié)點(diǎn)數(shù)為42 341,網(wǎng)格單元數(shù)為2 419。

3 靜力學(xué)分析

Simulation插件擁有強(qiáng)大的解算能力及后處理能力,可以根據(jù)具體模型選擇最佳的解算器,進(jìn)行解算。臥式加工中心主軸箱在實(shí)際工況下的變形云圖如圖4所示。由圖4可以看出,對(duì)于不同懸伸結(jié)構(gòu)的主軸箱,最大變形均位于主軸鼻端。其中,延長(zhǎng)套式主軸箱的最大變形量為0.012 mm,整體式主軸箱的最大變形量為0.010 mm,相比延長(zhǎng)套式主軸箱減小了16.7%。

▲圖4 主軸箱變形云圖▲圖5 主軸箱應(yīng)力云圖

分析認(rèn)為,分體式主軸箱結(jié)構(gòu)在延長(zhǎng)套與主軸箱體之間存在接合面,接合面屬于剛性薄弱環(huán)節(jié),雖然延長(zhǎng)套采用的鋼質(zhì)材料剛性大于鑄鐵材料,但不足以彌補(bǔ)增加接合面所帶來(lái)的剛性損失。

臥式加工中心主軸箱在實(shí)際工況下的應(yīng)力云圖如圖5所示。由圖5可以看出,對(duì)于不同懸伸結(jié)構(gòu)的主軸箱,應(yīng)力均主要集中在主軸安裝孔末端,整體式主軸箱應(yīng)力分布更加均勻。其中,延長(zhǎng)套式主軸箱的最大應(yīng)力為4.36 MPa,整體式主軸箱的最大應(yīng)力為4.55 MPa,兩者基本持平。

分析認(rèn)為,分體式主軸箱的延長(zhǎng)套為鋼材,主軸箱為鑄鐵材料,兩者材料不同,鑄鐵材料彈性模量低于鋼材,當(dāng)鋼材與鑄鐵材料接觸時(shí),在同等受力大小的情況下,鑄鐵材料一側(cè)會(huì)承受更大的變形量,導(dǎo)致應(yīng)力更加集中在鑄鐵一側(cè)。因此,分體式主軸箱應(yīng)力更加集中在主軸安裝孔末端,整體式主軸箱材質(zhì)統(tǒng)一,各部分變形協(xié)調(diào),應(yīng)力分布也相對(duì)均勻。

4 模態(tài)分析

刀具在切削過(guò)程中,切削力呈周期性變化。對(duì)于主軸箱而言,除了要考慮靜力學(xué)特性,動(dòng)態(tài)性能也至關(guān)重要。筆者通過(guò)Simulation插件的振動(dòng)分析功能,對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的主軸箱進(jìn)行模態(tài)分析。

延長(zhǎng)套式主軸箱前五階模態(tài)振型圖如圖6所示,對(duì)應(yīng)振型特點(diǎn)見(jiàn)表1。

▲圖6 延長(zhǎng)套式主軸箱前五階振型

表1 延長(zhǎng)套式主軸箱前五階振型特點(diǎn)

整體式主軸箱前五階模態(tài)振型圖如圖7所示,對(duì)應(yīng)振型特點(diǎn)見(jiàn)表2。

▲圖7 整體式主軸箱前五階振型

表2 整體式主軸箱前五階振型特點(diǎn)

整體式主軸箱的固有頻率要高于延長(zhǎng)套式主軸箱,其中整體式主軸箱一階固有頻率為387.48 Hz,相比于延長(zhǎng)套式主軸箱的一階固有頻率363.20 Hz高出6.7%。切削共振主要集中在低階固有頻率下,提升低階固有頻率可以擴(kuò)大主軸的切削轉(zhuǎn)速范圍,避免共振頻率,對(duì)主軸的加工能力有顯著提升作用。此外,兩種結(jié)構(gòu)的主軸箱前三階變形位置均為主軸鼻端,且變形量基本相同。

分析認(rèn)為,延長(zhǎng)套式主軸箱增大了延長(zhǎng)套與主軸箱之間的接合面,導(dǎo)致主軸箱整體剛性降低,進(jìn)而導(dǎo)致固有頻率降低及振型改變。

5 結(jié)束語(yǔ)

筆者針對(duì)不同懸伸結(jié)構(gòu)的臥式加工中心主軸箱,應(yīng)用SolidWorks軟件進(jìn)行幾何建模,并根據(jù)實(shí)際工況,運(yùn)用Simulation插件進(jìn)行靜力學(xué)及模態(tài)分析。結(jié)果表明,整體式主軸箱的最大變形量小于延長(zhǎng)套式主軸箱。相比延長(zhǎng)套式主軸箱,整體式主軸箱的最大變形量減小16.7%。兩者最大應(yīng)力降低基本持平,整體式主軸箱的應(yīng)力分布更加均勻。

在動(dòng)態(tài)性能方面,整體式主軸箱的固有頻率相比延長(zhǎng)套式主軸箱高6.7%,前三階模態(tài)的變形位置及振幅基本相當(dāng)。

綜合來(lái)看,整體式主軸箱在靜態(tài)及動(dòng)態(tài)性能方面均優(yōu)于延長(zhǎng)套式主軸箱,原因在于延長(zhǎng)套式主軸箱增大了延長(zhǎng)套與主軸箱之間的接合面,引起主軸箱整體剛性的下降,進(jìn)而導(dǎo)致靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能降低。筆者分析結(jié)果可為臥式加工中心主軸箱的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供指導(dǎo)和參考。