王素粉(三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南三門峽 472000)

雙立柱數(shù)控鏜削鏟斗銷孔專用機(jī)床主軸模態(tài)分析

王素粉
(三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南三門峽 472000)

主軸是機(jī)床的關(guān)鍵零部件，其剛度直接影響了鏟斗的加工精度，本文立足于機(jī)床的加工性能要求利用ANSYS14.0軟件對(duì)主軸進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，得出陣型圖，其分析結(jié)果為主軸進(jìn)一步的分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

主軸 模態(tài) 分析 優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引言

對(duì)于鏟斗機(jī)的設(shè)計(jì)，采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念已經(jīng)不能滿足鏟斗銷孔數(shù)控加工 的需要，對(duì)于孔系的平行度和同組孔系的同軸度及設(shè)備的柔性均需要精度更高的雙立柱數(shù)控鏜削鏟斗銷孔專用機(jī)床來(lái)完成，而數(shù)控鏜削鏟斗銷孔專用鏜床是加工鏟斗銷孔的專用機(jī)床，其關(guān)鍵部件為主軸和立柱部分，主軸的精度及剛度對(duì)孔的加工具有重要的影響力，而立柱的剛度和穩(wěn)定性也直接影響到整個(gè)機(jī)床的精度。因此，在對(duì)數(shù)控鏜削鏟斗銷孔專用鏜床進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)其關(guān)鍵部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)鏟斗的加工精度提高是非常有必要的。本文對(duì)雙立柱數(shù)控鏜削鏟斗銷孔專用機(jī)床的關(guān)鍵部件主軸進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，其結(jié)果為雙立柱數(shù)控鏜削鏟斗銷孔專用機(jī)床可靠性分析、加工精度的保證及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

1 主軸的網(wǎng)格劃分

圖1所示為雙立柱數(shù)控鏜削鏟斗銷孔專用機(jī)床主軸的二維圖，建立有限元模型前，先對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，忽略螺孔、小倒角等細(xì)小局部的影響。主軸的材料為45鋼，其主要材料性能參數(shù)如下：彈性模量為E=210 GPa，密度為ρ=7.8 kg/cm3，泊松比為μ=0.3。劃分網(wǎng)格后，模型的單元數(shù)為12096，節(jié)點(diǎn)數(shù)為13284。為了使的計(jì)算更加準(zhǔn)確，本文中網(wǎng)格劃分采用了映射的方式，在劃分網(wǎng)格之前要把軸的多邊形截面分割成幾個(gè)小四邊形，然后對(duì)這些小四邊形再進(jìn)行細(xì)分，對(duì)主軸的四分之一縱截面進(jìn)行網(wǎng)格化分結(jié)果，劃分結(jié)果如圖2所示:

2 邊界條件的處理

主軸在前后軸承的支承下高速旋轉(zhuǎn)，為了計(jì)算方便，將其作為空間彈性梁處理，認(rèn)為軸承只具有徑向剛度，不具有角剛度，因此將支承進(jìn)一步簡(jiǎn)化為徑向的壓縮彈簧，即梁的徑向采用彈性邊界元模擬軸承支承。每個(gè)軸承彈性支承均由四個(gè)均布的彈簧組成。圖3所示，每個(gè)彈簧用一個(gè)彈簧-阻尼單元Combine14模擬。根據(jù)電主軸的工作情況，為了限制主軸X軸方向的移動(dòng)，在T5、T6、T7、T8 4個(gè)節(jié)點(diǎn)加上UX約束，在T1、T2、T3、T4 4個(gè)節(jié)點(diǎn)為完全固接。研究主軸系統(tǒng)考慮彈性支承時(shí)的固有振動(dòng)特牲，關(guān)鍵是確定彈簧單元Combine14的剛度K，其單位是N/μm。

圖1 主軸二維模型圖

圖2 主軸網(wǎng)格劃分

圖3 橫斷面上的彈簧分布

滾動(dòng)軸承剛度與軸承的預(yù)緊力有關(guān)，軸安裝的是角接觸球軸承，其最小預(yù)緊力為：

(1)

取兩者中的較大值

式中：FrΙ—軸承Ι所承受的徑向負(fù)荷FrΠ—軸承Π所承受的徑向負(fù)荷αΙ—軸承Ι的接觸角αΠ—軸承Π的接觸角Fa—所有軸向外力的合力

根據(jù)前面的計(jì)算可得，需要預(yù)緊力大小為366 N。

根據(jù)得出的預(yù)緊力大小，角接觸球軸承的靜剛度為：

(2)

式中：Db—滾動(dòng)體直徑α—軸承接觸角Fa0—軸承預(yù)緊力

由公式(2)可以得到，該角接觸球軸承的靜剛度Kr=224 N/μm。根據(jù)以上分析，在ANSYS中建立的機(jī)床原主軸有限元模型如圖4所示：

圖4 主軸有限元模型

3 求解及固有頻率分析

通過(guò)施加壓力，進(jìn)行求解后所得到的主軸前六階模態(tài)頻率與陣型見(jiàn)表1，陣型圖如圖5所示。

從以上振型圖及動(dòng)畫效果圖中可以看出：一階模態(tài)為主軸扭轉(zhuǎn)振型，固有頻率大小為174.01，而二階和三階模態(tài)分別為主軸在Z向和Y方向的搖擺，四階模態(tài)為主軸在Z向擺動(dòng)，五階模態(tài)為主軸在XY面內(nèi)搖擺，六階模態(tài)主軸在Z方向彎曲。由以上的模態(tài)分析得到雙立柱數(shù)控鏜削鏟斗銷孔專用機(jī)床主軸的前6階固有頻率可以看出，第1階固有頻率為174.01，根據(jù)轉(zhuǎn)速和頻率的關(guān)系可計(jì)算得主軸的第一階臨界轉(zhuǎn)速為10440.6 r/min。而該主軸的設(shè)計(jì)工作轉(zhuǎn)速為3000 r/min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于臨界轉(zhuǎn)速，故雙立柱數(shù)控鏜削鏟斗銷孔專用機(jī)床主軸的工作轉(zhuǎn)速是安全的，能有效避開(kāi)共振。

表1 主軸模態(tài)分析結(jié)果

4 小結(jié)

通過(guò)對(duì)雙立柱數(shù)控鏜削鏟斗銷孔專用機(jī)床的關(guān)鍵部件主軸的態(tài)分析，得出雙立柱數(shù)控鏜削鏟斗銷孔專用機(jī)床主軸的前六界陣型圖，分析結(jié)果驗(yàn)證了主軸是可靠的，為機(jī)床主軸的可靠性分析、加工精度的保證及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。

(a) 扭轉(zhuǎn)振型

(b) Z向移動(dòng)振型

(c) Y向移動(dòng)振型

(d) Z向擺振型

(e) XY平面擺動(dòng)振型

(f) Z向彎曲振型

[1] 趙恒華,高興軍.ANSYS軟件及其使用[J].制造業(yè)自化,2004,(05):20-23.

[2] 霍蘇萍,徐長(zhǎng)群.裝載機(jī)鏟斗銷孔雙頭數(shù)控鏜床的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2013,(12):142-144.

[3] 王素粉.基于ANSYS的數(shù)控機(jī)床高速主軸動(dòng)態(tài)分析[J].三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2012,(01):116-117+124.

The modal analysis of spindle For Double column CNC boring bucket pin hole dedicated machine tool

WangSufen
(SanmenxiaVocationalandTechnicalCollege,Sanmenxia472000,Henan)

Spindle is the key components of machine. Its stiffness directly affects the bucket machining accuracy.In this paper, the dynamic analysis of the spindle using ANSYS14.0 software based on the processing requirements of machine tools.The result of the analysis provides the theoretical basis for the further analysis and optimization design of the main shaft.

spindle modal analysis optimization design

1006-8244(2017)01-025-03

河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目：編號(hào)15B460009

王素粉，女，1981年生，河南省周口人，河南省三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，學(xué)歷與學(xué)位：碩士研究生,研究方向：CAD/CAM/CAE

TH133.2

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