崔陳晨 楊 勇 段景波 解培玉

（青島高測科技股份有限公司 山東 青島 266114）

太陽能屬于可再生能源的一種，具有儲(chǔ)量大、永久性、清潔無污染、可再生、就地可取等特點(diǎn)，成為目前人類所知可利用的最佳能源選擇。國家對于光伏產(chǎn)業(yè)的支持力度不斷加大，每年都會(huì)出臺(tái)新的政策建設(shè)，將有效帶動(dòng)行業(yè)設(shè)備的高速發(fā)展。

隨著國內(nèi)光伏發(fā)電規(guī)模擴(kuò)大和技術(shù)快速進(jìn)步，越來越多的高效加工模式得以應(yīng)用，砂輪硬度均勻和穩(wěn)定及硬度高低的合理選擇，是保證磨削質(zhì)量的重要前提。提高砂輪工作速度，可顯著提高磨削效率和磨削比，如砂輪的磨削速度提高40%，磨削比可增加一倍，降低磨削成本。金屬和樹脂結(jié)合劑的金剛石砂輪，線速度通常為15～35 m/s，陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪的線速度可提高到45～160 m/s，單層CBN砂輪的線速度可選用125～250 m/s。

硅棒磨削的砂輪法向力高于切向力，對砂輪主軸剛度要求很高，主軸采用精密主軸滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)，前端四盤主軸軸承，后端兩盤軸承。砂輪主軸支撐座設(shè)置回轉(zhuǎn)中心，根據(jù)磨削需要可對砂輪主軸進(jìn)行左右適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以滿足磨削表面質(zhì)量的要求。

1 模型簡化

在三維軟件Creo2.0中建立幾何模型，并對其進(jìn)行簡化處理：

（1）刪除螺紋孔、小臺(tái)階、倒角、圓角等細(xì)小特征；

（2）刪除螺釘、螺母等連接件；

（3）利用簡單結(jié)構(gòu)的實(shí)體模型代替復(fù)雜結(jié)構(gòu)的部件；

（4）在保證整體結(jié)構(gòu)不變的情況下，可修改各模型的尺寸，保證各零件裝配正確。

通過對幾何模型的簡化，可提高網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，節(jié)約仿真計(jì)算的時(shí)間，將簡化后的模型導(dǎo)入ANSYS，主軸材料設(shè)定為42CrMo（表1），主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為6000 r/min，劃分網(wǎng)格，如圖1所示。

表1 42CrMo材料性能參數(shù)

圖1 主軸邊界條件加載示意圖

2 劃分網(wǎng)格

劃分網(wǎng)格是建立有限元分析的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，網(wǎng)格數(shù)目的多少將影響計(jì)算結(jié)果的精度和計(jì)算規(guī)模的大小。一般來說，網(wǎng)格數(shù)目增加，計(jì)算精度會(huì)有所改進(jìn)，但同時(shí)計(jì)算規(guī)模也會(huì)增加，所以在確定網(wǎng)格數(shù)目時(shí)應(yīng)權(quán)衡兩個(gè)因素綜合考慮。網(wǎng)格疏密是指在結(jié)構(gòu)不同部位采用大小不同的網(wǎng)格，這是為了適應(yīng)計(jì)算數(shù)據(jù)的分布特點(diǎn)，應(yīng)力集中處應(yīng)劃分比較密集的網(wǎng)格，應(yīng)力變化梯度較小的部位，為減小模型規(guī)模，應(yīng)劃分相對稀疏的網(wǎng)格。

對簡化的主軸模型選擇合理的網(wǎng)格單元尺寸，主軸總長度600 mm，選擇網(wǎng)格尺寸為1～10 mm，采用帶有中間節(jié)點(diǎn)的六面體單元自動(dòng)劃分網(wǎng)格，節(jié)點(diǎn)數(shù)約5.1萬個(gè)，單元數(shù)7.7萬個(gè)，如圖2所示。

圖2 主軸網(wǎng)格劃分

3 有限元分析計(jì)算

如圖3所示，加載主軸預(yù)緊力9400 N，轉(zhuǎn)速628 r/min ，運(yùn)行主軸應(yīng)力、位移和模態(tài)，結(jié)果仿真如圖4、圖5、圖6所示。

圖3 加載預(yù)緊力示意圖

圖4 應(yīng)力分布圖

圖5 位移分布圖

圖6 模態(tài)分布圖

主軸經(jīng)過有限元分析得最大應(yīng)力為3.6 MPa＜250 MPa；最大位移量為0.003 mm，位移較小滿足使用要求；一階模態(tài)頻率2098.8 Hz＞117 Hz，符合設(shè)計(jì)要求。

4 兩組磨削主軸共振諧響應(yīng)分析

簡化網(wǎng)格：

（1）簡化底部滑塊為固定約束；

（2）簡化頂部鎖緊氣缸為直桿固定，無鉸接；

（3）簡化主軸和軸承內(nèi)隔套為一體，且與筒壁無過盈，無摩擦；

（4）簡化導(dǎo)軌整體為鋼材，且導(dǎo)軌綁定到支座上；

（5）材料屬性為系統(tǒng)默認(rèn)的結(jié)構(gòu)鋼和灰鑄鐵；

（6）簡化電機(jī)、磨頭為質(zhì)量點(diǎn)；

（7）簡化圓角和細(xì)部小特征；

（8）不計(jì)間隙、過盈狀態(tài)；

（9）簡化軸承為實(shí)心圓環(huán)、螺栓為梁單元。

網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖7所示。

圖7 主軸系統(tǒng)網(wǎng)格劃分

在零件之間按照實(shí)際情況一一創(chuàng)建接觸對，摩擦因數(shù)設(shè)置為0.2，預(yù)壓導(dǎo)軌摩擦系因數(shù)為0.15，如圖8所示。

圖8 零件接觸狀態(tài)

加載螺栓預(yù)緊力（紅色箭頭）、重力（黃色箭頭）和底部固定約束（粉紅），如圖9所示。

圖9 邊界條件（加載）

主軸系統(tǒng)經(jīng)過有限元分析，得到如圖10所示的應(yīng)力變形結(jié)果，最大位移量為0.108 mm，發(fā)生在軸承套抱緊位置，且位移較小滿足使用要求。

圖10 主軸系統(tǒng)應(yīng)力變形量

設(shè)置主軸和內(nèi)隔套為旋轉(zhuǎn)體，轉(zhuǎn)速從50 r/min升至7000 r/min，轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)有限元分析，如圖11、圖12所示。結(jié)果顯示在6925.5 r/min時(shí)為臨界轉(zhuǎn)速，與結(jié)構(gòu)共振，振型為二階振型，（另，如果計(jì)入軸承鋼球則各轉(zhuǎn)速模態(tài)會(huì)有輕微變化，本例各階頻率恒定。）

圖11 轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)模態(tài)分析設(shè)置

圖12 轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)坎貝爾圖

經(jīng)過對兩粗磨主軸共振諧響應(yīng)分析，得到如圖13所示的二階模態(tài)振型圖，得出6925.5 r/min為設(shè)備的共振轉(zhuǎn)速；實(shí)際應(yīng)用中，設(shè)備最大運(yùn)行轉(zhuǎn)速為6000 r/min，小于設(shè)備共振轉(zhuǎn)速，避免了設(shè)備發(fā)生共振。

圖13 二階模態(tài)振型圖（體現(xiàn)為后端上下振蕩）

5 機(jī)床性能保障技術(shù)

主軸高速磨削，要求加工穩(wěn)定性好、振動(dòng)小、線速度高。例如，在2001年中國國際機(jī)床展上展出的PLANOMAT系列平面和成形磨床砂輪的工作速度為170m/s。因此，對磨床設(shè)計(jì)有如下要求：

（1）砂輪主軸回轉(zhuǎn)精度要高。

（2）磨床剛度要好，一般要求比普通磨床高50%左右，通常應(yīng)不小于100 N/μm的數(shù)量級(jí)。

（3）磨床進(jìn)給系統(tǒng)的精度要高，進(jìn)給速度應(yīng)均勻準(zhǔn)確，縱向進(jìn)給最小速度應(yīng)達(dá)0.3 m/min，橫向進(jìn)給（切深）應(yīng)達(dá)單行程 0.001～0.002 mm，以保證磨削的尺寸精度、幾何形狀精度和表面粗糙度。

（4）磨床各運(yùn)動(dòng)件，如頭架主軸和軸承部分、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌部分等應(yīng)有可靠的密封，以防超硬磨料進(jìn)入，加速機(jī)件的磨損。

（5）要有比較完善的磨削液過濾和供給系統(tǒng)，過濾精度應(yīng)小于0.5 μm。

（6）磨床各部分應(yīng)有相應(yīng)的防振和隔振措施，砂輪應(yīng)作精細(xì)動(dòng)平衡。

6 結(jié)語

本文研究了磨床主軸在正常工作轉(zhuǎn)速的情況下，通過有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行模型簡化和應(yīng)力、應(yīng)變、模態(tài)分析，通過分析結(jié)果，靜力學(xué)性能和動(dòng)態(tài)性能均符合設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)可靠。

通過對相鄰兩磨削主軸的共振諧響應(yīng)分析，獲取了主軸磨削發(fā)生共振頻率的臨界轉(zhuǎn)速，研究結(jié)果顯示， 6925.5 r/min為臨界轉(zhuǎn)速，與結(jié)構(gòu)共振，為避免共振，主軸系統(tǒng)的工作轉(zhuǎn)速應(yīng)避開臨界轉(zhuǎn)速。

分析結(jié)果與實(shí)際測試相符合，可推廣至相似結(jié)構(gòu)的分析，更好地應(yīng)用于實(shí)踐。