FMXT-2000落地鏜銑床y向雙驅進給系統靜態特性分析

錢忠杰，陳再良，錢文海

(蘇州大學 機電工程學院，江蘇 蘇州 215000)

0 引言

作為機床整個系統中比較重要的組成部分，進給系統的靜態特性對機床加工工件的質量和精度影響很大，不少學者對此展開了相關的研究。ZAEH M F等[1]利用有限元法建立滾珠絲杠副的有限元模型，并討論了滾動結合面的建模方法；張陳靈等[2]針對進給系統中滾珠絲杠副的載荷分布情況進行了分析；宣賀等[3]從絲杠振動對機床精度的影響方面，對進給系統中滾珠絲杠副的動態特性進行了相關研究。目前，國內外對于水平方向進給系統的研究不少，但對于豎直方向進給系統的研究相對比較缺乏。

蘇州某公司生產的FMXT-2000落地鏜銑床的y軸采用的是雙絲杠驅動結構，其受力狀況與水平方向的進給系統完全不同。理論上，以驅動工作臺作水平方向運動的進給系統為例，工作臺以及工件的重力完全施加在導軌上，滾珠絲杠副幾乎不承受徑向載荷。而對于FMXT-2000落地鏜銑床的y向雙驅進給系統而言，主軸箱和滑枕系統的重力幾乎完全施加在滾珠絲杠副上，導軌與滑塊之間摩擦力極小，所以計算中不予考慮。本文以FMXT-2000落地鏜銑床的y向進給系統為研究對象，用ANSYS Workbench對其進行有限元分析。根據分析結果擬合補償曲線，并對y向雙驅進給系統提出了幾種優化方案。

1 y向雙驅進給系統結構

FMXT-2000落地鏜銑床y向雙驅進給系統主要包括電機、滾珠絲杠副、支承軸承、主軸箱、導軌滑塊及立柱，如圖1所示。2臺電機驅動2根絲杠轉動，使得主軸箱沿導軌方向完成y向的直線運動。FMXT-2000落地鏜銑床y向行程3500mm，絲杠直徑80mm，跨距800mm，導軌跨距1410mm。與單驅進給系統相比，雙驅進給系統的軸向靜態剛度有很大的提升[4]，在豎直方向采用雙絲杠驅動可以使主軸箱的運動更加平穩可靠。

圖1 y向雙驅進給系統結構圖

2 靜力分析

靜力分析主要是研究結構在給定載荷作用下的變形。y向進給系統除了受自身和主軸箱及滑枕的重力作用外，還受切削力的影響。主軸箱重約35000N，滑枕重約26000N。關于切削力的計算，以直徑為125mm，齒數為6的YG8硬質合金端面銑刀為例，計算得出主切削力為5190.27N，進給抗力為1816.59N，吃刀抗力為4671.24N。

2.1 不同工況下靜力分析

以x方向銑削為例，順銑和逆銑時，切削力的方向會發生改變，對進給系統的整體變形也會產生影響。在用ANSYS Workbench進行靜力分析之前，為提高運算效率及仿真結果的準確性，需要先對y向雙驅進給系統的模型進行簡化，圖2為簡化后的結果。

圖2 y向雙驅進給系統簡化模型

定義完材料以及接觸類型后，需要進行模型網格的劃分。為了在節省計算時間的同時使分析結果更加準確，規定主軸箱網格單元大小為100mm，其他組件為80mm。最后添加載荷和約束條件。本節對空載、順銑和逆銑3種情況進行分析，分析結果如圖3和表1所示。

圖3 y向雙驅進給系統整體變形圖

表1 靜力變形結果 單位：mm

由分析結果可見，3種不同工況下的整體變形較為相近，說明切削力對其的影響相對較小，后續的分析中則可主要考慮空載情況。

2.2 誤差分析

FMXT-2000落地鏜銑床y向定位誤差主要來源有y軸雙驅進給系統的變形和z軸滑枕系統的撓曲變形。陸歷歷[5]已針對該公司生產的同類型滑枕撓曲變形的耦合補償進行了研究，優化之后滑枕的最大變形量不超過7μm，所以可忽略z軸滑枕系統的撓曲變形。本節對主軸箱處于不同位置時y向雙驅進給系統的整體變形進行分析，取主軸箱位置間隔為200mm，分析y向雙驅進給系統如圖4所示位置的y向最大變形量。將所得到的數據繪制成如圖5所示的曲線，并在y軸進給系統裝配完成之后根據數據進行補償。

圖4 雙驅進給系統y向變形圖

圖5 雙驅進給系統y向靜力變形曲線

2.3 定位精度測量

在定位精度測量試驗中，選用的儀器是RENISHAW XL-80輕型激光干涉儀，其性能指標如表2所示。

表2 RENISHAW XL-80測量系統性能指標

實驗準備工作完成后，控制機床進行y軸往返運動共5次，每運動300mm停1次，進行計數。將所測得的數據按照德國標準VDI 3441繪制成圖6所示曲線。從圖6的曲線可看出，經過補償之后的機床y向定位精度為0.008mm，滿足國家標準要求的0.02mm/1000mm及全長不超過0.028mm。

圖6 FMXT-2000落地鏜銑床y軸精度曲線

3 優化方案

根據本文靜力分析結果，雙驅進給系統的變形主要發生在滾珠絲杠副和主軸箱的y向，可知主軸箱及滑枕質量和滾珠絲杠副剛度對進給系統靜態特性有著很大的影響。從主軸箱方面考慮，可以進行輕量化設計，或者添加平衡裝置平衡部分重力，本文對此不作深入研究。而從滾珠絲杠副軸向剛度方面考慮，絲杠直徑大小對絲杠軸向的剛度有著很大的影響[6]。

在相同約束和載荷條件下，本節通過改變絲杠直徑的大小，以80mm、85mm、90mm、95mm和100mm的絲杠直徑分別建立不同的模型，并用Workbench軟件進行相應的分析，將分析所得的變形量數據繪制成如圖7所示曲線。

圖7 系統整體變形與絲杠直徑關系曲線

從分析結果可以看出，y向雙驅進給系統的整體變形隨著滾珠絲杠直徑的增大而逐漸減小，并且減小的趨勢和幅度也逐漸下降。與此同時，滾珠絲杠直徑的增大，除了對安裝尺寸及要求的影響，在工作過程中，轉動慣量的增大也會引起更大的振動。因此在絲杠選型的過程中，不可為了減小雙驅進給系統的整體變形而盲目使用直徑過大的絲杠，而應考慮多種因素，確定最合適的直徑大小[7]。

4 結語

本文以FMXT-2000落地鏜銑床y向雙絲杠驅動進給系統為例，對豎直方向的雙驅進給系統進行靜態特性分析。利用ANSYS Workbench對其進行有限元分析，并根據主軸箱在y軸不同位置時進給系統的y向變形量進行補償，使其定位精度符合國家標準要求。同時，分析結果發現，切削力對y向進給系統變形影響很小，而主軸箱及滑枕質量和滾珠絲杠副剛度對進給系統靜態特性的影響相對較大，從而影響y向雙驅進給系統的定位精度。針對這兩點提出了不同的優化方案，并對滾珠絲杠直徑對進給系統整體變形的影響進行了分析，為同類機床豎直方向進給系統的設計和改進提供了參考。