基于Hyperworks的銑床主軸模態(tài)分析

方俊芳

（安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械系，安徽 合肥 231603）

張巖

（安徽合力股份有限公司，安徽 合肥 230000）

銑床是傳統(tǒng)金屬切削機(jī)床中功能最多的機(jī)床設(shè)備，在機(jī)械制造企業(yè)中必不可少。多刃銑刀的工作步驟如下:刀刃進(jìn)入切削→切削層逐漸增厚→切削層最厚→刀刃離開工件；下一個刀刃進(jìn)入切削→下一個刀刃切削層增厚→下一個刀刃離開工件，……，不斷重復(fù)進(jìn)行。銑刀主軸所作的運(yùn)動是主運(yùn)動［1］，消耗功率最大，加工速度最高，刀具間斷地接觸工件，離開工件，這個過程對刀具所在的銑床主軸沖擊力較大，振動較大，從而使加工件表面質(zhì)量難以提高。銑床主軸受到的切削抗力對主軸疲勞壽命產(chǎn)生較大影響。為此，筆者擬對銑床主軸進(jìn)行模態(tài)頻率和振型分析，由此預(yù)判斷外部激勵對主軸運(yùn)動的作用效果，避免發(fā)生共振危害。

1 模態(tài)分析理論

銑床主軸系統(tǒng)是高速運(yùn)動系統(tǒng)，僅僅依靠靜強(qiáng)度理論計算主軸受力與變形情況是不夠的，還需要分析其動態(tài)特性。目前機(jī)械設(shè)計中大多數(shù)動態(tài)分析用的是模態(tài)分析方法。機(jī)械結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù) （固有頻率、阻尼比、模態(tài)振型）由其尺寸形狀、材料屬性決定，可以通過模態(tài)分析獲得這些參數(shù)［2］。

現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計中的模態(tài)分析方法有試驗?zāi)B(tài)分析和計算模態(tài)分析［2］2種。由于三維分析軟件的普及應(yīng)用，現(xiàn)代設(shè)計階段的模態(tài)分析可以采用第2種方法中的有限元計算方法獲得。下面，筆者以Solidworks與Hyperworks軟件建模與分析銑床主軸結(jié)構(gòu)的合理性，防止主軸的振動頻率與固有頻率出現(xiàn)重合。

2 銑床主軸結(jié)構(gòu)與材料屬性

銑刀盤上的刀刃在銑刀圓周均勻分布，隨著主軸的連續(xù)不斷運(yùn)轉(zhuǎn)，每個刀齒逐個進(jìn)入切削→切削層加厚→離開切削，不斷重復(fù)這一過程。由此可以看出刀齒與工件的接觸是不斷變化的，銑床主軸在這種變化的運(yùn)動特性中容易發(fā)生振動，所以主軸部件應(yīng)具有較高的剛性和抗振性要求。在X6132型銑床主軸上采用了3處軸承支撐。其中前面與中間支撐為主支撐，都用圓錐滾子軸承支撐，后支撐的作用為輔助性的，用的是深溝球軸承 （見圖1）。

圖2為銑床主軸結(jié)構(gòu)簡圖，主軸所用材料屬性如表1所示。

圖1 銑床主軸支承圖

圖2 銑床主軸結(jié)構(gòu)簡圖 （單位:mm）

表1 材料屬性

3 銑床主軸的模態(tài)分析

1）建模與網(wǎng)格劃分 利用Solidworks軟件建立銑床主軸三維模型，將該模型導(dǎo)入有限元分析軟件Hyperworks中自動劃分銑床主軸的網(wǎng)格，設(shè)置為四面體結(jié)點。圖3中的三維模型是在Solidworks軟件中建立的。建模中，要忽略次要細(xì)節(jié)，簡化各工藝形狀，受力部位簡化成集中質(zhì)點，以達(dá)到減少在三維軟件中的有限元分析計算時間的目的［3］。將該模型導(dǎo)入有限元分析軟件Hyperworks中自動劃分銑床主軸的網(wǎng)格，設(shè)置為四面體結(jié)點，相關(guān)細(xì)節(jié)如圖3右邊所示。

2）銑床主軸變形云圖與振型 分析無約束的自由模態(tài)，如圖4所示。

圖3 銑床主軸網(wǎng)格圖與相關(guān)細(xì)節(jié)表

圖4 銑床變形云圖及振型

由圖4中圖形與數(shù)據(jù)可知主軸固有頻率和振型，根據(jù)模態(tài)解耦計算一階到四階頻率 （見表2），振型都為彎曲變形。表2中的數(shù)據(jù)顯示主軸最低模態(tài)頻率是512.3Hz，而工作頻率在0～50Hz之間，主軸的固有頻率和主軸的工作頻率至少相差10倍，所以不會引起共振［4］。

表2 主軸系統(tǒng)固有頻率和振型

4 結(jié)語

應(yīng)用有限元方法對銑床主軸進(jìn)行了模態(tài)分析，計算出銑床主軸一到四階固有頻率和振型，結(jié)果表明銑床主軸的固有頻率和工作頻率相差較大，加工過程中不會引起共振現(xiàn)象。由于筆者研究的是無約束的自由模態(tài)，若考慮支承部位的約束狀態(tài)，可能會影響固有頻率的計算值，今后可以在有彈性約束條件下進(jìn)行銑床主軸的模態(tài)分析，這樣更加符合實際情況。

［1］惲達(dá)明 .金屬切削機(jī)床 ［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［2］傅志方，華宏星 .模態(tài)分析理論與應(yīng)用 ［M］.上海:上海交通大學(xué)出版社，2000.

［3］王一江，張曉艷，龐學(xué)慧 .基于ANSYS的龍門銑床龍門結(jié)構(gòu)模態(tài)分析 ［J］.計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，2010（4）:29－33.

［4］萬宏強(qiáng)，白婕靜，李曉明.PM500平面磨床主軸的模態(tài)分析 ［J］.煤礦機(jī)械，2007（12）:74－76.