數(shù)控機(jī)床主軸動(dòng)態(tài)特性仿真分析
2020-2-10 來源： 廣西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系 作者：張麗麗 ， 覃祖和 ， 黃華椿 等
【摘 要】 以某型號(hào)數(shù)控車床主軸為研究對(duì)象，建立有限元模型，利用ANSYS Workbench對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，得到前6階振型圖及模態(tài)參數(shù)，為優(yōu)化主軸結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。
【關(guān)鍵詞】 主軸；ANSYS Workbench；模態(tài)分析；諧響應(yīng)分析
數(shù)控機(jī)床作為“中國制造 2025”重點(diǎn)發(fā)展的五大工程，十大領(lǐng)域之一，直接影響著我國裝備制造業(yè)的發(fā)展。主軸是機(jī)床的心臟，其動(dòng)態(tài)特性與機(jī)床性能、加工質(zhì)量、工作效率息息相關(guān)。因此，研究機(jī)床主軸動(dòng)態(tài)特性意義重大。
1、 有限元模型建立
1.1 主軸支撐結(jié)構(gòu)
本文以某型號(hào)數(shù)控車床主軸為研究對(duì)象，其主軸系統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)如圖1。
圖1 主軸支撐結(jié)構(gòu)示意圖
前支撐為一對(duì)背靠背的角接觸球軸承和一個(gè)雙列圓柱滾子軸承，后支撐為一個(gè)雙列圓柱滾子軸承，軸承型號(hào)見表1。
表1 軸承型號(hào)
1.2 有限元模型
數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但一些細(xì)小結(jié)構(gòu)對(duì)分析結(jié)果影響甚微，可做如下簡化處理：（1）忽略軸體表面的倒角、圓角、螺紋孔、退刀槽等結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)；（2）簡化軸承為彈性支撐，忽略軸承角剛度只取徑向剛度；（3）不考慮軸承載荷及轉(zhuǎn)速對(duì)軸承剛度的影響。用 UG11.0 軟件建立主軸三維模型，將該模型導(dǎo)入 ANSYSWorkbench 的 Geometrv 模塊，并添加 Modal（ANSYS）模塊[4]，為了提高有限元分析結(jié)果精度，選用六面體實(shí)體單元對(duì)主軸進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到的主軸有限元模型如圖2所示。
圖2 主軸有限元模型
2 、材料屬性及約束
主軸材料為機(jī)械制造行業(yè)常用鋼種 40Cr 鋼，視其為各向同性的線彈性材料 。彈性模量 E = 2×1011Pa，泊松比 μ= 0. 27，密度 = 7. 85×103kg/m3。所有軸外節(jié)點(diǎn)均采用全約束。由于前軸承采用的是角接觸球軸承，在模型中要對(duì)該對(duì)軸承的彈簧-阻尼單元的軸上節(jié)點(diǎn)進(jìn)行軸向約束。軸承剛度采用文獻(xiàn)[8]中介紹的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，得到各軸承徑向剛度如表2。
表2 軸承徑向剛度
3 、仿真結(jié)果分析
3.1 模態(tài)分析
運(yùn)用 ANSYS Workbench 對(duì)所建立的有限元模型模進(jìn)行計(jì)算分析后，得到主軸前6階陣型圖，如圖3。
圖3 前6階振型圖
根據(jù)主軸前6階陣型圖可以看出，主軸的3階頻率與4階頻率差別不大，5階頻率與6階頻率差別不大，可視為種根。根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速 n 與頻率 f 的關(guān)系：n=60 f，可計(jì)算出主軸前6階頻率對(duì)應(yīng)的臨界轉(zhuǎn)速，如表3所示。
表3 主軸固有頻率與轉(zhuǎn)速表
為了保證機(jī)床的加工精度和安全性，主軸最高工作轉(zhuǎn)速不能超過其一階臨界轉(zhuǎn)速的 75%[1]。由表3可知，一階臨界轉(zhuǎn)速為31277.4，該主軸的最高工作轉(zhuǎn)速為 6000r/min，遠(yuǎn)低于一階臨界轉(zhuǎn)速，不會(huì)發(fā)生共振，該主軸是合理而安全的。
3.2 諧響應(yīng)分析
在主軸前端安裝刀具處施加 1 000 N 的激振力模擬加工工況，分6步進(jìn)行諧響應(yīng)分析，結(jié)果如圖 4。
圖4 響相應(yīng)分析
由圖 4 知，主軸在頻率為614Hz 處出現(xiàn)最大振動(dòng)峰值，最大振幅值為8.9 mm，而在100Hz 頻率附近主軸的振幅很小，不會(huì)對(duì)主軸產(chǎn)生太大影響，可以保證工件的加工質(zhì)量。
4、 結(jié)語
本文建立了某機(jī)床主軸的有限元模型，并用 ANSYS Work-bench 對(duì)主軸進(jìn)行了模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析。獲得了該主軸前 6階振型圖及模態(tài)參數(shù)。該主軸最高工作轉(zhuǎn)速6000r/min，遠(yuǎn)低于一階臨界轉(zhuǎn)速 31277.4，不會(huì)發(fā)生共振，可以保證該機(jī)床的加工質(zhì)量，為機(jī)床優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。
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