車銑復合加工中心主軸結構的有限元分析
2022-5-30 來源：齊齊哈爾工程學院 作者：謝偉東
摘要： 車銑復合加工中心主軸是系統結構中的關鍵性零件，機床在運行過程中會受到不同程度的切削力，想要防止機床變形問題的發生率，需要通過科學的結構設置保證機床的剛度，當承受較大的切削力時，依然保有較高的加工精度，降低自激振動問題的發生。采用有限元分析技術創建系統模型，通過車銑復合加工中心主軸結構的設計調整，對主軸剛度進行分析驗算，車銑復合加工中心主要包括單元技術、機床整機技術，其中主軸單元屬于單元技術的重要環節。車銑復合加工中心主軸（電主軸）結構的有限元分析，主要研究目的是提高機床運行的穩定性，保證加工精度和主軸剛度。
關鍵詞：車銑復合加工中心；主軸結構；有限元分析
０ 引言
車銑復合加工中心主軸結構包括：主軸電機、主軸和軸承等部分，主軸作為機床的核心部件，其結構性能對在整臺機床的運行穩定性有著重要影響，想要全面提高切削速度、保證機械加工精度，就需要建立有限元分析模型，分析主軸結構性能。主軸結構設計中的技術手段相互制約，解決速度與剛度之間的矛盾，借助有限元分析法的便利性和靈活性，對車銑復合加工主軸結構進行分析，通常情況下安裝兩個主軸，實現在不停車狀態下的自動對接轉移，自動化完成絕大部分的工件加工工作，提高加工效率。
１、車銑復合加工中心主軸結構
１．１ 車銑復合加工中心主軸結構
結合軸承結構的主要特點，車銑復合加工中心主軸通常 只存在徑向剛度，簡化處理后發現徑向壓縮彈簧。車銑復合加工中心主軸簡化后的力學模型分析過程中，可以有選擇的忽略軸承剛度與轉速、負荷之間的關系，假設軸承的剛度為標準常數進行后續的有限元分析工作，這一過程中省略了工作人員的計算量，結合主軸結構類型，主要采用滾動軸承，省略阻力因素分析并不會對最終的分析結果產生影響。如圖1所示，簡化主軸剛度細節部位進行整體顯示。
１．１．１ 軸殼
在進行主軸結構分析的過程中，軸殼作為主要部件之間，其尺寸與位置會對主軸設計精度產生影響，通過安裝過程的查看，設計人員將軸承座孔安裝到軸殼上，在進行電機定子安裝的過程中，需要保持一端處于開放狀態。一些大型的主軸結構中，為了安裝便利，會在軸殼兩端設計的過程中采用開放型設計原理，提高主軸的運行速度，保證運行功率，其中轉子直徑要高于軸承外徑，實現對機床裝配精度的控制，后軸承安裝區域提供無間隙配合。
圖１ 車銑復合加工中心主軸簡化后的力學模型
１．１．２ 轉軸
轉軸屬于主軸的重要回轉體，轉軸的實際精度會對主軸的整體精度產生影響，采用的轉軸對形位公差、尺寸精度有著高質量要求，轉軸在高速運轉的過程中，受到偏心質量的影響產生不規則振動，無法保證機床動態性能的穩定性，需要借助有限元測試轉軸的動平衡，在測試的過程中一部分轉軸上的零件要同時接受動平衡測試。
１．１．３ 軸承
精密軸承作為主軸的核心支承部件，其尺寸、位置和功能會對主軸最高轉速產生影響，因此在主軸結構設計的過程中，需要選擇高速性能、動負荷承載強以及發熱量小的精度軸承，其中常見的類型有：動靜壓軸承、磁浮軸承等。
１．２ 主軸電機有限元分析
１．２．１ 電機的有限元仿真
在進行主軸電機有限元分析的過程中，采用仿真處理的方式，主要的計算對象是電路、磁路，以此為基礎，通過 Ａｎｓｏｆｔ中的 ＲＭ ｘｐｒｔ模塊進行電機結構選擇，參與到電磁設計分析的過程中，計算軟件仿真建模數據。將已經完成的電機模型信息輸入到二維瞬態場。加載幾何模型的同時進行模型材料定義，分別設定電機主從邊界條件，采用網格劃分的形式得到各項信息，轉子受力過程中對氣隙網格具有一定的敏感性，因此，在得到的最小氣隙處分別設置了多層網格，計算出主軸電機電磁轉矩，了解主軸電機的電流變化流程。
１．２．２ 二維電機瞬態分析
將已經構建完成的仿真模型輸入到 Ｍａｘｗｅｌｌ２Ｄ 瞬態場，利用數據分析軟件定義電機內部的主材料、設定精準度的邊界條件，合理添加激勵源，做好網格劃分處理。如圖２所示，計算磁鏈在經過轉子齒面時的疏密程度，分析轉子齒部尺寸對最終分析結果的影響，并結合呈現的數據效果圖示，得出轉子電阻與轉子齒部尺寸的關系，保證漏抗與加工速度相契合。在主軸電機結構設計的過程中滿足機床運行速度范圍內的功率、扭矩需求，全面提高轉子旋轉階段強度。
圖２ 雙層繞組
１．３ 主軸電機繞組設計
主軸電機的定子繞組為勵磁繞組，在主軸結構設計的過程中電機繞組設計質量會影響到主軸動力性能，車銑復合加工中心主軸電機繞組設計過程中采用單層繞組，需要在每個槽放置線圈邊。單層繞組的線圈槽數量較少，實現對槽面積的綜合利用，繞組的斷口接線長度有限，無法隨意進行節距調整，繞組的端部交疊安裝，具有較高的穩定性。在進行繞組類型選擇的過程中，要結合主軸結構特點進行綜合考量，車銑復合加工中心主軸的定子槽較淺，主要采用雙層繞組，在嵌線階段會遇到很多問題，繞組的散熱性能較差，但雙層繞組的應用能夠降低高次諧波損耗。
１．４ 電機定子繞組的有限元分析
１．４．１ 有限元模型的建立
車銑復合加工中心主軸定子繞組為三相１２／８極結構ＳＩＴＭ，結合ＳＲＭ定轉子外徑與內徑的數據信息，對定轉子極弧系數、氣隙等數據進行調整，選擇合適的零件尺寸完成主軸結構設計與安裝，在計算機數據系統中生成了幾何模型進行有限元分析，從機床控制接口輸入幾何模型，利用瞬態模塊完成二維時步有限元計算。通過計算機軟件定義外加電路，分別建立功率變換器分析模型、驅動電路分析模型，彼此之間相互驗證形成仿真體系。
１．４．２ 三角形單元網格剖分
定子繞組有限元分析的前提是電機模型的建立，定義運動邊界的限制條件，通過有限元算法分析的時間步長，了解電機系統網格的劃分情況。Ｍａｘｗｅｎ能夠自動剖分有限元網格，在實際分析計算過程中，當計算精度無法滿足分析需求時，需要借助手工操作的方式，全面提高氣隙區域的網格密度。三角形單元網格剖分形式的運用，劃分過程十分仔細，網格的剖分精度較高，但需要機器保持高運行時長。在進行磁場能量集中、磁場變化快的氣隙區域，要確保網格劃分的精細程度，提高計算精度的同時，完成磁場變化不明顯的電機區域網格劃分。有限元計算需要具備理想的邊界條件（磁通平行邊界），在進行繞組激勵源輸入的過程中，要通過外電路完成輸入，建立ＳＲＭ 驅動電路分析模型。
２、有限元分析車銑復合加工中心主軸結構
２．１ 有限元分析的主要流程
想要保證系統運行的穩定性、分析結果的準確性，就需要結合車銑復合加工中心主軸的實際構成情況，建立三維實體模型，在此基礎上進行靜態分析，適當地對主軸增加約束力和載荷重量，根據有限元模型顯示的各項數據信息，在 ＡＮＳＹＳＹ 里求解，分析機床主軸的廣義特征。
通過合理計算得到車銑復合加工中心主軸的有限元節點，分析有限元模型坐標系中產生的變形情況和移動情況，借助表格與色度圖的顯示形式，向計算人員展示設備與零件的位移數值與扭轉變形的程度。分析多個節點的變形強弱，對主軸運行階段承受的應力大小進行計算，同時得到車銑復合加工中心主軸應力的主要受力點，分析多個節點的位移變化，將得到的數值代入到徑向剛度計算公 式：Ｋｒ＝Ｆ／Ｗ ，完成車銑復合加工中心主軸剛 度計算。
２．１．１ 主軸部件有限元模型
車銑復合加工中心主軸普遍為階梯空心軸，在進行主軸部件動態、靜態設計的過程中，需要利用有限元分析軟件（ＡＮＳＹＳ）對主軸部件的工作情況進行分析，根據運行時期工件的具體表現，制定主軸部件有限元模型，對分析流程進行分割。一般情況下，車銑復合加工中心主軸部件構成，需要前后兩套角與陶瓷球軸承建立支撐關系，保證前軸承的固定狀態，能夠完成承受徑向載荷、雙向軸向載荷，后軸承在定向階段會產生輕微的位移，在進行主軸工作熱伸長的補償處理階段，前后軸承在完成定位轉移的同時，將盈套固定在主軸區間。電機轉子改變鍵聯接的狀態，轉移到前后軸承之間，轉矩的傳遞工作需要借助壓配合的摩擦力完成。
主軸部件建模的過程中，需要通過有限元分析 ＡＮ－ＳＹＳ，計算簡化處理后實體模型的具體尺寸，生成關鍵節點，在得到的截面上進行平面單元設計，主要采用手工劃分網格離散的處理形式，將帶網格的截面轉化為帶網格的物體。結合現有的主軸約束條件，參考主軸結構設計的實際情況，進行科學的有限元分析，計算得到主軸的載荷條件，分析車銑復合加工中心主軸的銑削力。
２．１．２ 特定結構的振動特征分析
特定結構的振動特征分析指的是主軸結構的固有頻率以及振型，采用模態分析的形式進行主軸結構故障診查，通過得到的固有頻率值分析了解主軸結構的整體剛度，分析結論：固有頻率越大、結構剛度越大。分析主軸結構故障產生的主要原因，將機床振動形式分為自由振動、被動振動和自激振動三種，機床振動可能造成刀具位移，影響工件的運行速度，無法保證工件的加工精度，最終的機床加工精度、效率不理想的后果。建立有限元分析模型計算機床固有頻率，是保證機床整體性能的主要手段。
圖３ ＡＮＳＹＳ中主軸部件模型
２．２ 車銑復合加工中心主軸結構特點
２．２．１ 主軸結構靜態分析
通過有限元分析技術對車銑復合加工中心主軸結構特點進行了解，靜態分析首先需要了解主軸變化前后所產生的位移矢量，分析車銑復合加工中心主軸變形的主要區域，變形問題主要出現在主軸的前端部位，這是因為主軸前端作為主要受力點。與之相反后主軸端的變形問題并不嚴重，通過調查分析表明，車銑復合加工中心主軸的受力點所產生的應力最大，隨著坐標的移動，應力也逐漸向主軸后端移動。
２．２．２ 主軸結構模態分析
采用三維實體模態分析法，對車銑復合加工中心主軸的運行狀態進行觀察，主要的分析內容是，機床高速銑頭的固有振動頻率，以此作為依據了解振動特性與響應特性，無阻尼自由振動實驗得到車銑復合加工中心主軸的固有振動特性，如表 １ 所示，在檢驗固有頻率的同時，分析振動的主要類型以及振動過程中產生的應力數值。車銑復合加工中心主軸運行的過程中，通過交變循環產生應力作用到主軸，產生生產疲勞，對內部設備和工件造成不同程度的破壞。因此，需要制定出合理的解決方案提高主軸結構強度，借助模態分析法計算出主軸的固有頻率與臨界轉速，通過數據調整在有效轉速 ＜ 臨界轉速的狀態下重新定位，避免對共振區域造成損耗，全面提高主軸設計成效。
表１ 電主軸的固有振動頻率和振型
２．３ 主軸結構銑削靜剛度分析
銑削靜剛度分析的主要目的是，了解機器在運行過程中，各項數據是否滿足機床精度加工標準，在車銑復合加工中心主軸的靜剛度分析階段，結合靜載荷、位移比值，通過模型演示，利用極端公式分析主軸剛度。車銑復合加工中心主軸結構中主軸箱前端呈現出六角外形，傾斜分布加強筋對主軸載荷進行分解，當主軸箱的頭部呈現出矩形，主軸孔壁會與板壁之間相切，同時在另外一側設置加強筋作為支撐，主軸載荷分解轉移到左壁、兩處加強筋上。選擇合適形狀的對角筋，能夠全面提高主軸箱的彎曲剛度，降低立柱發生變形的概率，如表 ２ 所示，在主軸結構設計階段，通過有限元分析得到主軸剛度的極差變化，降低主軸面內彎曲問題的發生。
表２ 主軸剛度的極差分析表
總結：在車銑復合加工中心主軸結構問題解決的過程中，需要通過有限元分析得到準確的主軸端變形動態演示，在有 ＡＮＳＹＳ軟件中以動畫播放的形式表現出來，并做好視頻、數據記錄找到危險截面的所處區域，顯示出臨近受力點的軸肩區域工作情況，通過軸有限元模型完成２Ｄ、３Ｄ 的主軸模態分析，為車銑復合加工中心主軸結構設計提供精準的參考數據，作為設計修改的基礎。
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