0 引言

石油篩管數(shù)控多刀銑床是用于切割石油篩管縫的大型專用數(shù)控機(jī)床。該機(jī)床具有同時(shí)加工80條縫的能力，其中支撐80個(gè)主軸的箱體組（每個(gè)箱體鑄造而成，支撐4根主軸）的動(dòng)態(tài)性能直接影響著機(jī)床的加工精度及精度的穩(wěn)定性。要保證機(jī)床具有良好的動(dòng)態(tài)性能，首先必須保證與刀具及主軸密切相關(guān)的20個(gè)刀軸箱的動(dòng)態(tài)性能。

一般機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化準(zhǔn)則[1,2]為：1）提高各階固有頻率；2）各階固有頻率盡量均布；3）避免固有頻率與外界激勵(lì)頻率一致引起共振；4）各子結(jié)構(gòu)的動(dòng)剛度不出現(xiàn)明顯的薄弱環(huán)節(jié)。

本文利用有限元分析技術(shù)對(duì)其機(jī)床刀軸箱進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，提出了結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

1 建立刀軸箱有限元模型

1.1 材料屬性與邊界處理

刀軸箱所選材料為灰鑄鐵HT300，材料為各向同性，介質(zhì)均勻。材料屬性參數(shù)為：楊氏彈性模量E=1.3MPa，泊松比由于刀軸箱安裝時(shí)采用4個(gè)螺栓與機(jī)床拖板連接，為了模擬實(shí)際工況，因而邊界處理時(shí)將箱體與螺栓結(jié)合面進(jìn)行全約束。

1.2 有限元網(wǎng)格劃分及求解

刀軸箱長602mm，寬332.5mm，高60mm，利用ANSYS14.0有限元軟件提供的solid186（20node186）單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。劃分后共有92723個(gè)節(jié)點(diǎn)，52092個(gè)單元，得到有限元模型如圖1所示。進(jìn)行模態(tài)分析，求解刀軸箱體前6階固有頻率和振形。

圖1 刀軸箱有限元模型

2 刀軸箱模態(tài)分析

由于低階模態(tài)對(duì)振動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能影響較大[4]，本文僅提取了刀軸箱的前6階模態(tài)，給出刀軸箱前6階固有頻率和相應(yīng)振型，如表1所示。參考坐標(biāo)系如圖2所示。

表1 刀軸箱前6階固有頻率和相應(yīng)振型

根據(jù)模態(tài)分析，可以對(duì)刀軸箱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)價(jià)。刀軸箱前6階固有頻率都在300Hz以上，具有較高的低階固有頻率，說明刀軸箱具有較好的剛性[5]。刀軸箱的相對(duì)位移變形量主要集中在Y方向和X方向，Z方向的振動(dòng)盡管較小，但均大于加工精度，故結(jié)構(gòu)動(dòng)剛度較差。

圖2 刀軸箱1階模態(tài)云圖（751.51Hz）

圖3 刀軸箱2階模態(tài)云圖（774.29Hz）

刀軸箱1階模態(tài)如圖2所示。由于長邊側(cè)沿Y軸擺動(dòng),最大擺動(dòng)位移為0.017mm，將會(huì)使主軸產(chǎn)生軸向竄動(dòng)。短邊側(cè)沿X軸擺動(dòng)，會(huì)使加工縫產(chǎn)生位置偏差。圖3所示為刀軸箱2階模態(tài)。箱體長邊側(cè)沿Y軸擺動(dòng)，最大擺動(dòng)位移為0.017mm，使主軸產(chǎn)生軸向竄動(dòng)，加工出的縫寬產(chǎn)生誤差。而機(jī)床設(shè)計(jì)加工縫寬誤差是0.015mm，模態(tài)1和模態(tài)2產(chǎn)生的軸向竄動(dòng)誤差均大于0.015mm，不僅會(huì)影響加工縫寬的精度，而且會(huì)發(fā)生崩刃現(xiàn)象，從而在很大程度上影響機(jī)床的精度。

圖4 刀軸箱3階模態(tài)云圖（942.54Hz）

圖5 刀軸箱4階模態(tài)云圖（1048.1Hz）

圖4所示為刀軸箱的3階模態(tài)。由于箱體長邊側(cè)沿Y軸扭動(dòng)，會(huì)使主軸在軸向產(chǎn)生竄動(dòng)，且四根主軸的竄動(dòng)不同步。短邊側(cè)沿X軸擺動(dòng)，使主軸在每一工位加工時(shí)定位精度降低。圖5所示為刀軸箱4階模態(tài)。箱體長邊側(cè)中間部分沿Y軸擺動(dòng)，使中間兩根軸產(chǎn)生軸向竄動(dòng)。短邊沿X軸擺動(dòng)，降低加工定位精度。3階和4階模態(tài)下的最大位移均為0.02mm，已超出加工誤差0.015mm，會(huì)影響機(jī)床加工精度。

圖6 刀軸箱5階模態(tài)云圖（1139.7Hz）

圖7 刀軸箱6階模態(tài)云圖（39992.7Hz）

圖6所示為刀軸箱5階模態(tài)。箱體長邊側(cè)沿Y軸扭動(dòng)，會(huì)影響主軸軸向竄動(dòng)，最大位移為0.04mm，短邊側(cè)沿X軸擺動(dòng)，最大擺動(dòng)位移為0.016mm，已超過尺寸偏差范圍。圖7所示為刀軸箱6階模態(tài)，箱體長邊側(cè)沿Y扭動(dòng)，使主軸產(chǎn)生軸向竄動(dòng)，且竄動(dòng)不同步。短邊側(cè)沿X軸擺動(dòng)，產(chǎn)生主軸定位偏差。

由于刀軸箱各個(gè)方向的振動(dòng)位移量均超出加工誤差，因此，刀軸箱在結(jié)構(gòu)動(dòng)剛度方面仍需進(jìn)一步優(yōu)化。另外該機(jī)床對(duì)加工縫寬度要求嚴(yán)格，即要求軸向振動(dòng)位移須很小。該結(jié)構(gòu)中1階、2階模態(tài)時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)位移可能使刀具損壞，影響縫寬，從而影響整個(gè)機(jī)床加工精度。再者每個(gè)刀軸箱支撐4根主軸，軸間距固定，這不能滿足軸間距和軸向縫間距可任意改變的需求。所以，仍需對(duì)刀軸箱結(jié)構(gòu)加以優(yōu)化。

3 優(yōu)化措施

通過以上分析，刀軸箱主要存在以下問題：

1）各階模態(tài)下產(chǎn)生的最大位移均已超出加工誤差，這對(duì)保證縫寬加工精度，刀具免受損，整機(jī)動(dòng)態(tài)性能等都會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

2）刀軸箱本身存在的問題，如：刀軸箱殼體前后軸承孔的不同心度，錐度和不圓度等。

3）刀軸箱所用軸承精度，刀軸自身加工精度，刀軸箱軸承孔的加工精度對(duì)整機(jī)加工精度產(chǎn)生的積累誤差。

通過改變刀軸箱結(jié)構(gòu)布局和關(guān)鍵參數(shù)，分析固有頻率、動(dòng)態(tài)響應(yīng)等結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化情況，選擇適合的結(jié)構(gòu)布局和尺寸，提高結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能[6]。

3.1 刀軸箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在保證刀軸箱寬度不變的情況下，研究其長度變化對(duì)固有頻率的影響，同時(shí)，考慮刀軸箱長度變化對(duì)軸向振動(dòng)位移的影響。綜合長度變化引起的固有頻率和振動(dòng)位移變化，選取合適的長度保證前6階固有頻率比原結(jié)構(gòu)大幅提高，軸向振動(dòng)位移比原結(jié)構(gòu)顯著減小，增加結(jié)構(gòu)動(dòng)剛度和加工精度。要保證軸間距和軸向縫間距可調(diào)，需使組合軸形式變?yōu)楠?dú)立軸形式[7]。

3.2 提高刀軸及刀軸箱制造精度

1）刀軸軸頸的不同心度將直接引起刀軸徑向跳動(dòng)；而刀軸軸頸的錐度和不圓度在裝配時(shí)將引起滾動(dòng)軸承內(nèi)滾道變形，破壞其精度。所以需提高刀軸加工時(shí)的同心度、錐度和不圓度，以此提高刀軸箱結(jié)構(gòu)動(dòng)剛度。

2）刀軸箱殼體前后軸承孔的不同心度，錐度和圓度等對(duì)刀軸加工精度有嚴(yán)重的影響。軸承孔的錐度和圓度，其中最重要的是軸承內(nèi)滾道表面的圓度、光潔度以及滾動(dòng)體的尺寸差，將引起軸承外圈變形，影響軸承可以調(diào)整的最小間隙。數(shù)控銑床在工作時(shí)，刀軸箱與床身臺(tái)面的振擺在收緊軸承時(shí)，將使軸承滾道面產(chǎn)生不規(guī)則的變形，不只是引起軸向跳動(dòng)，而且會(huì)使刀軸產(chǎn)生徑向跳動(dòng)，同時(shí)會(huì)引起刀軸在旋轉(zhuǎn)一周的過程中，產(chǎn)生輕重不勻的現(xiàn)象，甚至導(dǎo)致刀軸發(fā)熱[8]，進(jìn)而影響精度及精度的穩(wěn)定性。所以提高刀軸箱殼體前后軸承孔制造時(shí)的同心度、錐度和圓度是提升刀軸箱及整機(jī)動(dòng)態(tài)性能的重要措施。

4 結(jié)論

通過對(duì)石油篩管數(shù)控銑床刀軸箱原結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能分析，從中得出如下結(jié)論：

1）通過對(duì)刀軸箱進(jìn)行模態(tài)分析，得出了刀軸箱前6階固有頻率和相應(yīng)振型。可以直觀的分析刀軸箱動(dòng)態(tài)特性，加之精度和使用要求等為依據(jù)，提出了具體優(yōu)化措施。

2）通過分析刀軸箱存在的問題，從根本上找到了提高刀軸箱動(dòng)態(tài)性能及整機(jī)加工精度和精度穩(wěn)定性的措施。

參考文獻(xiàn)：

[1]張學(xué)玲,徐燕申,鐘偉泓.基于有限元分析的數(shù)控機(jī)床床身結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究[J].機(jī)械強(qiáng)度,2005,27(3):353-357.

[2]徐燕申,張興朝,牛占文,趙相松.基于元結(jié)構(gòu)和框架優(yōu)選的數(shù)控機(jī)床床身結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)研究[J].機(jī)械強(qiáng)度,2001,23(1):l-3,110.

[3]陳靜,高福萬,楊賀來.石油篩管數(shù)控多刀銑床的研發(fā)[J].機(jī)械制造,2015,53(3):10-12.

[4]陳靜,楊銳.數(shù)控割縫篩管多刀銑床:中國,CN20-021222.3[P].2011-09-07.

[5]劉永紅,李小朋,紀(jì)仁杰,等.復(fù)合縫腔割縫篩管的加工設(shè)備:中國,CN101088689A[P].2007-12-19.

[6]陳靜,楊賀來.梯形縫割縫篩管激光加工技術(shù)及裝備[J].機(jī)械制造,2010,48(8):45-47.

[7]高福萬,陳靜,楊賀來.不銹鋼梯形縫篩管加工技術(shù)研究[J].機(jī)械制造,2014,52(7):56-57.

[8]劉瑞芝.石油割縫管激光切割中的傳熱與熱應(yīng)力研究[D].天津:天津大學(xué),2001.