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        基于有限元分析車銑復(fù)合加工中心主軸結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

        2014-09-07 09:40:00張小兵
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2014年16期
        關(guān)鍵詞:主軸有限元加工

        張小兵

        (中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山西 太原 030051)

        引言

        應(yīng)用有限元分析方法,分析車銑復(fù)合加工主軸結(jié)構(gòu),車銑復(fù)合加工是一項(xiàng)綜合加工技術(shù),由于車銑復(fù)合加工中心有兩個(gè)主軸,故此工件能在不停車狀態(tài)下自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)接轉(zhuǎn)移,能夠完成工件全部以及大部分加工內(nèi)容,充分顯示出數(shù)控機(jī)床高速、復(fù)合加工的特點(diǎn),提高加工效率。以下就對(duì)此做具體介紹:

        1 淺析車銑復(fù)合加工中心

        在車銑復(fù)合加工中,應(yīng)該提升主軸結(jié)構(gòu)高精度,使其具備高剛度、高速度的性能,主軸作為車銑復(fù)合加工中心的關(guān)鍵部件, 主軸前端有刀頭,參與切削加工中,端點(diǎn)動(dòng)柔度與低階固有頻率將會(huì)影響車銑復(fù)合加工中心的性能,在進(jìn)行精加工與粗加工中,應(yīng)該提升主軸的靜、動(dòng)態(tài)特性。利用有限元分析車銑復(fù)合加工中心主軸,計(jì)算出主軸的剛度以及扭轉(zhuǎn)變形、彎曲度,不僅能可以提升車銑復(fù)合加工中心主軸性能,也可提升工作效益。

        2 有限元分析車銑復(fù)合加工中心主軸結(jié)構(gòu)

        2.1 有限元分析建模

        車銑復(fù)合加工中心主軸,是階梯空心軸,確保加工中主軸部件動(dòng)態(tài)、靜態(tài)設(shè)計(jì)切實(shí)可行,對(duì)勁應(yīng)用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行分析,簡(jiǎn)化主軸部件有限元模型。

        首先,需要簡(jiǎn)化倒角成直角,并且還要忽略空刀槽;將潤滑油孔以及工藝孔、螺紋孔等處按實(shí)體進(jìn)行處理;并且對(duì)主軸作彈性元件的處理。其次,在有限元分析ANSYS中對(duì)主軸進(jìn)行建模,可以根據(jù)簡(jiǎn)化實(shí)體模型尺寸來生成關(guān)鍵點(diǎn)與線,在生成截面上手工劃分網(wǎng)格離散得到平面單元,然后將帶網(wǎng)格面轉(zhuǎn)為帶網(wǎng)格的體。再者,建立約束條件,符合原主軸結(jié)構(gòu)實(shí)際情況,合理進(jìn)行有限元分析。最后,確定載荷條件,確定車銑復(fù)合加工中心主軸粗銑時(shí)的銑削力。

        2.2 有限元分析

        首先分析車銑復(fù)合加工中心主軸的三維實(shí)體模型,對(duì)其進(jìn)行靜態(tài)分析,可以對(duì)主軸加約束和載荷后,在ANSYSY里根據(jù)有限元模型直接求解,根據(jù)有限元方程:

        設(shè) F(t)=0,C=0

        簡(jiǎn)化有限元方程為:Ma(t)+ Ka(t)=0

        可以得到廣義特征值:0=Φ?ΦMkω

        求解得出 與 ,確定主軸解決固有特性。計(jì)算出車銑復(fù)合加工中心主軸中有限元節(jié)點(diǎn)在整體有限元模型坐標(biāo)系中的位移量與扭轉(zhuǎn)變形量,然后以表格以及色度圖的形式,顯示出位移量與扭轉(zhuǎn)變形量的大小[3]。其次,可以根據(jù)各節(jié)點(diǎn)變形程度的強(qiáng)弱,計(jì)算出該點(diǎn)應(yīng)力大小,則可知在車銑復(fù)合加工中心內(nèi)部,主軸的應(yīng)力主要集中在前端;得出車銑復(fù)合加工中心主軸中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移變化值,根據(jù)徑向剛度計(jì)算公式:Kr=F /W,就可以計(jì)算得到車銑復(fù)合加工中心主軸系統(tǒng)的剛度。

        在處理具體問題的過程中,為了可以更加清晰的顯示車銑復(fù)合加工中心主軸端的變形過程,可以在有限元分析軟件ANSYS中用動(dòng)畫形式表形,顯示出危險(xiǎn)截面的所在位置,并且顯示出前端靠近受力點(diǎn)的軸肩處,為車銑復(fù)合加工中心主軸的優(yōu)化設(shè)計(jì)人員提供定量修改的依據(jù)。然后,建立軸有限元模型,采用2D、3D有限元模型對(duì)主軸進(jìn)行模態(tài)分析。然后,可以根據(jù)車銑復(fù)合加工中心主軸前四階的固有頻率,在有限元分析軟件ANSYS下拉框中,選擇Precomplied Headers,并選中Automatic use of precompiled headers選項(xiàng) ,可以在其中填入stdafx. H文件名,之后可以選擇菜單中的Project-Add To Project-Files項(xiàng),把拷貝過來的cpp文件全部加入當(dāng)前工程之中。

        3 有限元分析車銑復(fù)合加工中心主軸結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

        3.1 主軸結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析特點(diǎn)

        對(duì)車銑復(fù)合加工中心主軸進(jìn)行有限元分析,可以其主軸結(jié)構(gòu)的靜態(tài)分析中,對(duì)于主軸變化后的位移矢量中,可以看出車銑復(fù)合加工中心主軸的變形主要集中在主軸的前端,并且在車銑復(fù)合加工中心主軸受力點(diǎn)的位置變形最大,其后主軸端的變形也會(huì)依次減弱;再有就是車銑復(fù)合加工中心主軸受力點(diǎn)處的應(yīng)力也最大,并且應(yīng)力也將隨著坐標(biāo)向車銑復(fù)合加工中心主軸的后端逐漸靠近、逐漸減小。

        3.2 主軸結(jié)構(gòu)模態(tài)分析特點(diǎn)

        對(duì)車銑復(fù)合加工中心主軸進(jìn)行三維實(shí)體模態(tài)分析,主要就是對(duì)高速銑頭進(jìn)行固有振動(dòng)特性分析與響應(yīng)特性分析,根據(jù)無阻尼自由振動(dòng),得到車銑復(fù)合加工中心主軸振動(dòng)系統(tǒng)固有特性,也就是對(duì)其固有頻率與振型、振動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行分析??芍?,在車銑復(fù)合加工中心主軸轉(zhuǎn)動(dòng)之時(shí),需要承受交變循環(huán)應(yīng)力的作用,這樣就容易產(chǎn)生疲勞破壞,應(yīng)該強(qiáng)化處理主軸結(jié)構(gòu),根據(jù)模態(tài)分析得到的固有頻率,計(jì)算出主軸臨界轉(zhuǎn)速,使主軸有效轉(zhuǎn)速小于臨界轉(zhuǎn)速,以便可以避開共振區(qū)域,優(yōu)化主軸開發(fā)效率。

        3.3 主軸結(jié)構(gòu)銑削靜剛度分析特點(diǎn)

        剛度主要指機(jī)器工作時(shí)能否達(dá)到機(jī)床預(yù)定的加工精度,分析車銑復(fù)合加工中心主軸的靜剛度,根據(jù)靜載荷與位移比值,計(jì)算出主軸剛度??芍谲囥姀?fù)合加工中心主軸內(nèi),主軸箱的頭部為六角外形, 加強(qiáng)筋傾斜分布利于分解主軸載荷;如果主軸的箱頭部為矩形,那么主軸的孔壁一側(cè)將會(huì)與板壁相切,并且另一側(cè)也會(huì)有兩個(gè)加強(qiáng)筋用語支撐,使主軸載荷分解到左壁與兩加強(qiáng)筋上。因此,在車銑復(fù)合加工中心的主軸中,對(duì)于主軸箱可以采用X形對(duì)角筋,提高主軸箱彎曲剛度,阻止立柱扭轉(zhuǎn)變形,利于提高車銑復(fù)合加工中心主軸的整機(jī)剛度。在設(shè)計(jì)中,可以使主軸箱前后壁的方孔面積小于側(cè)壁面的10%,可以降低對(duì)主軸面內(nèi)彎曲的影響。

        結(jié)論

        綜上所述,對(duì)車銑復(fù)合加工中心主軸進(jìn)行有限元分析,得到更加精確的主軸結(jié)構(gòu)結(jié)果, 有利于減少工作量與主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)周期,不僅可以確保主軸加工穩(wěn)定性,也可以提高加工精度,具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

        [1]侯明明.車銑復(fù)合加工中心雙繞組主軸力矩電機(jī)設(shè)計(jì) [D].沈陽工業(yè)大學(xué),2012.

        [2]靳華.車銑復(fù)合加工中心副主軸同步接料運(yùn)動(dòng)控制研究 [D].河南理工大學(xué),2012.

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