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引言

高速數(shù)控機(jī)床電主軸的動(dòng)態(tài)特性嚴(yán)重影響機(jī)床的加工性能直接制約著機(jī)床的加工質(zhì)量和精度近年來(lái) 國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電主軸進(jìn)行了大量研究研究成果顯著采用有限元和試驗(yàn)分析對(duì)數(shù)控機(jī)床主軸部件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析驗(yàn)證數(shù)控銑床主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性[1]利用彈簧阻尼單元模擬軸承支承的方法建立主軸系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型并對(duì)高速數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)進(jìn)行了模態(tài)和諧響應(yīng)分析[2]Lin 利用有限單元法建立電主軸的動(dòng)力學(xué)模型結(jié)合熱效應(yīng)的作用通過(guò)動(dòng)力學(xué)模型預(yù)測(cè)熱預(yù)緊力對(duì)軸承剛度的影響[ ]本文以某機(jī)床電主軸為研究對(duì)象建立主軸-軸承的主軸系統(tǒng)有限元模型通過(guò)模態(tài)分析驗(yàn)證主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性以及諧響應(yīng)分析得到主軸剛度驗(yàn)證主軸剛度是否滿足設(shè)計(jì)要求

主軸系統(tǒng)的有限元模型建立

本文采用命令流輸入法直接在 ANSYS 中建模主軸的幾何模型采用自底向上的創(chuàng)建方法先創(chuàng)建一個(gè)二分之一主軸二維平面的PLANE42 單元然后沿主軸軸心線 360 擠壓出主軸為了使計(jì)算結(jié)果精確主軸采用 SOLID45 單元選擇六面體單元為網(wǎng)格劃分單元形成 60396 個(gè)單元 66492 個(gè)結(jié)點(diǎn) 通過(guò)三維實(shí)體單元和彈簧阻尼單元相結(jié)合的方式建立主軸系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型模型相關(guān)參數(shù)設(shè)置彈性模量為 2.07e11Pa 泊松比為 0.25 材料密度為 7800Kg/m3

在模型中以 66481 66492 這 12個(gè)結(jié)點(diǎn)及其對(duì) 應(yīng)的點(diǎn)建立 12 個(gè)COMBIN14 彈簧阻尼單元彈簧剛度前端徑向?yàn)?/span> 306N/ m 軸向?yàn)?/span> 26 N/m 后端徑向?yàn)?/span> 87N/ m 主軸的約束按照主軸的實(shí)際裝配情況主軸前端軸向和徑向同時(shí)約束后端只約束徑向即約束 66481 66488 結(jié)點(diǎn)的 X 和Z 方向約束 66489 66492 結(jié)點(diǎn)的 Y方向約束及網(wǎng)格劃分如圖 1 所示

主軸系統(tǒng)有限元分析

2.1 主軸系統(tǒng)模態(tài)分析

機(jī)床主軸系統(tǒng)理論上是由無(wú)數(shù)個(gè)固有頻率及相對(duì)應(yīng)振型組成具有無(wú)限多個(gè)自由度的系統(tǒng) 通常在模態(tài)分析時(shí) 只需考慮幾個(gè)低頻固有模態(tài)即可本文只取 10 階模態(tài) 通過(guò) ANSYS 軟件計(jì)算得到的各階固有頻率如表 1 所示前六階振型如圖2所示

由表 1 可以看出主軸的工作區(qū)間能有效避開(kāi)共振區(qū) 不會(huì)發(fā)生同頻共振此外各階固有頻率之間有一定的差距也不會(huì)出現(xiàn)頻率靠的很近發(fā)生諧振影響機(jī)床精度因此數(shù)控縱切機(jī)床主軸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理

2.2 主軸諧響應(yīng)分析

在主軸端面第 24967 號(hào)結(jié)點(diǎn)施加大小為 1000N 的軸向激振力結(jié)果如圖所示由圖可知當(dāng)激振力的頻率位于 800 900Hz 之間時(shí) 主軸前端的軸向響應(yīng)位移急劇增加主軸的動(dòng)剛度顯著下降在 1400l600Hz 時(shí) 主軸軸向響應(yīng)也較大主軸軸向響應(yīng)在 825.89Hz 時(shí)達(dá)到最大此時(shí)的振幅為

，數(shù)控縱切機(jī)床主軸的動(dòng)剛度為 3.3N/m 滿足主軸剛度的設(shè)計(jì)要求

結(jié)論

通過(guò)建立數(shù)控縱切機(jī)床的主軸-軸承主軸系統(tǒng)的有限元模型對(duì)主軸系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析獲得各階固有頻率及振型主軸系統(tǒng)的二階固有頻率為 825.89Hz 遠(yuǎn)小于機(jī)床主軸最高轉(zhuǎn)速 8000 r/min 對(duì)應(yīng)的頻率所以主軸的工作區(qū)間能有效避開(kāi)共振區(qū) 不會(huì)發(fā)生同頻共振驗(yàn)證了主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性通過(guò)對(duì)主軸系統(tǒng)進(jìn)行諧響應(yīng)分析獲得在1000N 的軸向激振力下主軸軸向的振幅為