工件偏載情況對雙柱立車的影響分析

劉銀鋒

摘? 要：該文通過有限元分析及其理論計算2個方向對雙柱立車工件偏載現象，對加工精度和使用壽命的影響進行了分析，對采用有限元分析方法解決實際問題的思路進行了剖析，對主軸系統受力狀態進行了分析，指出了影響加工精度和機床使用壽命的關鍵參數，并從設計人員和使用人員的角度對偏載情況的注意事項進行了闡述，對于機床設計與維護具有一定的參考意義。

關鍵詞：雙柱立車;工件偏心;加工精度;有限元分析

中圖分類號：TG515? ? ? 文獻標志碼：A

1 問題的提出

該公司某型號數控雙柱立車產品，在用戶現場運行狀態良好，加工圓柱及圓筒零件各項指標均符合檢驗要求。客戶提出反饋，預加工重心不在幾何中心的異形零件，或者圓柱形零件夾持過程中存在偏心的現象，是否依然能滿足加工需求，探討了加工精度和機床使用壽命的影響。

2 有限元方法

有限單元法是在當今技術科學發展和工程分析中獲得最廣泛應用的方法。由于它的通用性和有效性，受到工程技術界的高度重視。隨著計算機科學技術的快速發展，現已成為計算機輔助工程和數值仿真的重要組成部分[1]。隨著市場競爭的加劇，產品更新周期愈來愈短，企業對新技術的需求更加迫切，而有限元數值模擬技術是提升產品質量、縮短設計周期、提高產品競爭力的一項有效手段，有限元法已經成為解決復雜工程分析計算問題的有效途徑，從汽車到航天飛機幾乎所有的設計制造都已離不開有限元分析計算，其在各個領域的廣泛使用已使設計水平發生了質的飛躍。

當人們應用有限元法于實際分析時，方便快捷地得到可靠的結果，無疑是共同追求的目標。因此，分析過程的有效性和計算結果的可靠性成為有限元方法的兩大核心問題。制訂的分析方案好壞直接影響分析的精度和成本，但通常情況下精度和成本是相互沖突，特別是分析較大規模和具有切割邊界的模型時更為明顯。采用有限元分析方法解決實際問題的關鍵環節就是有限元模型的建立及其邊界條件的處理。這個過程可以認為是一個數學建模的過程。這個過程的關鍵點在于真實有效地把實際情況模擬出來，并需要考慮結算過程及其數據讀取的標準。否則，要么會無法計算出結果，要么計算出的結果不能給解決實際問題提供有效的數據支撐。

該文采用UG NX 7.5軟件建模模塊進行有限元分析模型的建立，并在高級仿真模塊進行有限元分析。由于工作臺大件結構和裝配關系都很復雜，采用UG軟件從建模到分析一步到位，避免了中間格式的轉換，使得前處理過程操作非常方便，對工況的模擬更加真實，且易于修改模型重新計算，尤其適合多工況的分析。

UG軟件有限元分析，大致流程如下：首先在建模模塊建立分析模型，并進行裝配;進入高級仿真模塊在.sim文件下設定部件間接觸方式，約束方式，載荷以及結算方案的工況管理，在.fem文件環境下設定材料參數并將其指派給模型，劃分網格單元，回到.sim文件環境下進行解算，解算完成讀取所需數據。

3 有限元分析過程及結果

立式車床工作臺是承載加工工件的重要部件，工作臺帶動工件的回轉運動是車削加工的主運動。該機床回轉工作臺采用靜壓導軌結構，主軸徑向通過雙列圓柱滾子軸承定心，通過液壓系統控制能夠在不同工作重量及其工作轉速情況下獲得較好的油膜厚度及其端面精度[2]。

針對該問題，考慮工作臺受力狀態及其現場情況，分析工作臺受力狀態，計算系統首最大載荷的靜力變形及應力情況。建立工件、工作臺及主軸系統模型，為了邊界條件的處理建立導軌板模型并對其進行固定處理，加載離心力在工件上，設定重力加速度參數。取最高轉速100 rpm，設定計算工件重量為最大值50 t，工件偏心距離設定20 mm，分最大加工直徑情況下和最大工件高度2種情況計算工件偏載對加工精度的影響。為了模擬工作臺受力狀態，建立工作臺、工件、導軌板的裝配模型。最大加工直徑有限元分析模型如圖1所示，更改工件模型即獲得最大加工高度有限元分析模型。

計算結果如圖2所示 。

圖2和圖3為2種狀態下的有限元分析結果云圖。根據分析結果數據可知，在最大加工直徑狀態下，偏載20 mm的情況下，工件外沿Z方向變形數值差值0.001 mm;最大工件高度狀態下，變形差值0.003 mm。總體來說，偏載20 mm內，靜力變形對加工精度影響不大。值得注意的問題是，在計算同種橫向對比的方案時，網格劃分應采用同樣的形式和大小，這樣可以使對比狀態更加接近真實情況。該文中介紹的內容側重點在于思路和方法，計算數據可根據具體機床型號的參數有不同的變化。

3 偏載狀態下的主軸承受力分析

工作臺主軸系統中定心軸承受徑向力的影響最大，對于主軸而言，記偏心距離為Δ，以工作臺面為零點，設工件高度為h，工作臺面至定心軸承中心距離為μ，切削力F，工件離心力為f，軸承厚度b。軸承承受徑向最大載荷Fmax。

則：

式中：離心力F=mω2Δ，ω 為工作臺轉速。

帶入數據，即可計算得到離心力和軸承承載具體情況數據。通過計算發現，離心力一般情況下遠小于切削力，隨著轉速的提升，離心力越來越大，使主軸受力狀態越來越惡劣。同等工件重量情況下，工件高度越高，離心力偏載力矩對主軸定心軸承影響越大。

4 偏心載荷影響分析

從設計角度來看，在主軸系統設計過程中，定心軸承的選擇至關重要。其涉及主軸結構、電機配置、工作臺導軌位置以及主軸組件關聯尺寸等多方面內容。軸承承受動載荷是選擇軸承的決定性參數，如果沒有足夠的安全系數，偏心質量產生的離心力及其離心力引起的顛覆力矩就會嚴重影響軸承使用壽命，甚至造成軸承的破損和工作臺導軌的研傷。對于加工工件高度跨距幅度很大的機床，應合理限定工件高度超出一定范圍的切削用量，以此來控制切削力的急劇上升。

從使用角度來說，如果工件偏心情況是屬于操作失誤導致的夾持偏心，應當重新找正夾緊后再進行加工。如果工件本身為異形件，客觀存在重心位置與幾何旋轉重心有偏差的現象，應當考慮增加配重的方式，調整工作臺承載工件及工裝的重心位置至工作臺中心。如果無法實現工作臺承載的重量質心位置與旋轉中心重合，對于固定結構尺寸工作臺及主軸結構，可根據計算驗證偏心距是否在合理的范圍內，來確定加工工序是否可以繼續進行。

5 結語

該文首先從有限元分析角度對工作臺及其主軸系統承受偏心載荷情況下的靜力變形進行了分析，從計算結果來看，偏心載荷對系統的影響不大。然而，通過理論計算，發現在實際情況下，根據工件形狀的變化或許會對整個系統造成很大影響。究其原因是由于切削力的客觀存在，由于偏心力與切削力對比其實很小，實際對系統影響嚴重的主要是切削力。只是在不同的狀態下，系統預留的剛度儲備差距明顯，對于工件來說，主要參數在于高度指標，每臺機床的最大切削高度狀態下是該機床最薄弱的狀態，此時，如果再有偏載離心力的影響，很可能對機床主軸定心軸承造成致命的損害，嚴重影響加工精度和使用壽命，無論是從設計還是從使用角度來說，都應該對此情形下的切削用量進行合理的限制，以避免造成不必要的損失。

參考文獻

[1]王勖成.有限單元法[M].北京：清華大學出版社，2003.

[2]戴曙.金屬切削機床[M].北京：機械工業出版社，2017.