臥式加工中心主軸箱懸伸結構靜力學與模態分析

王 銳

通用技術沈陽機床股份有限公司 沈陽 110141

1 分析背景

臥式加工中心是軍工、航空、航天、能源、汽車、工程機械等領域不可或缺的重要加工設備,具有加工范圍廣、加工效率高、剛性好的特點,特別適用于箱體類零部件的加工[1-3]。主軸箱作為臥式加工中心的主要部件之一,安裝有刀具和主傳動系統,其性能直接影響臥式加工中心的加工精度和使用性能。

目前,在機床主軸箱結構及性能的研究中,針對立式加工中心主軸箱的研究較多,對于臥式加工中心主軸箱的研究則相對較少。謝軍等[4]、石云等[5]、羅生梅等[6]對立式加工中心主軸箱靜動態特性進行了研究,并通過拓撲優化方法,達到了各自的優化目標。陶濤等[7]對立式加工中心主軸箱采用正交試驗設計與灰色關聯分析相結合的方法,進行輕量化和熱態特性的綜合優化,使主軸箱的質量和熱變形量均有不同程度的減小。陳鵬[8]對龍門加工中心主軸箱進行模態特性分析及優化研究,使主軸箱的質量有所減小,剛性和固有頻率有所提高。李建等[9]對數控車床主軸箱進行動靜態分析,應用多目標多尺寸的優化分析,對主軸箱箱體進行有限元分析及優化設計,結果表明,優化后箱體的結構剛度、強度變化不大,固有頻率有所降低,質量有所減小。歐昭等[10]對臥式側掛式主軸箱進行模態分析,并對關鍵尺寸進行優化,使主軸箱的質量有所減小,動態性能得到提升。

為了進一步優化臥式加工中心主軸箱的結構及性能,筆者對常見臥式加工中心主軸箱的兩種不同結構,采用有限元方法理論,從靜態和動態性能兩方面進行對比分析,以探索更優的結構方案。

對于臥式加工中心,為了滿足主軸鼻端到工作臺中心的距離要求,主軸鼻端需要有一定的懸伸,常見的結構有兩種,如圖1所示。

▲圖1 常見主軸箱結構

延長套式主軸箱在主軸箱體和主軸之間采用延長套的形式,增加主軸的懸伸,延長套多為鋼材質,經車削及鉆孔攻絲而成。整體式主軸箱可以理解為將延長套與主軸箱體合為一體。兩種方案在制造難度和成本方面差異不大,筆者將著重在使用性能方面通過靜力學分析和模態分析,對兩種方案進行比較。

2 有限元建模

對于大型復雜結構的靜力學分析,通常采用有限單元法。有限單元法是隨著計算機技術的發展而迅速發展起來的一種現代設計計算方法[11],屬于基于結構離散技術的數值方法。

有限元計算的準確性依賴于正確、有效的有限元建模。對于兩種不同形式的主軸箱結構,簡化不必要的零件,應用SolidWorks軟件進行建模,主軸箱三維模型如圖2所示。將所建立的模型導入SolidWorks軟件Simulation插件,主軸箱的材料選擇為灰鑄鐵,彈性模量為11 GPa,泊松比為0.31,密度為7 200 kg/m3。延長套和主軸材料選擇為合金鋼,彈性模量為210 GPa,泊松比為0.28,密度為7 700 kg/m3。

▲圖2 主軸箱三維模型

實際切削狀態下的受力情況如圖3所示。以面銑刀銑削加工為例,刀具進行橫向切削時,主軸鼻端主要受到切削工件而產生的軸向抗力Fa、徑向抗力Ff、扭矩M。其中,Fa和Ff通過主軸前軸承作用于主軸外殼,進而傳遞給主軸箱。扭矩M由主軸箱后方的主電機產生,通過電機連接板作用于主軸箱。此外,主軸箱內部還有因皮帶脹緊而產生的一對相反力F1和F2。主軸箱的運動由滑塊和絲母進行限制。

▲圖3 實際切削狀態下受力

根據臥式加工中心預定的切削性能,徑向抗力Ff取1 300 N,軸向抗力Fa取1 380 N,扭矩M取200 N·m。按照切削狀態下的刀尖位置,對主軸箱施加相應的載荷。皮帶脹緊力F1和F2通過查閱相關標準[12]加以計算,取3 000 N。考慮主軸箱自身的質量為250 kg,為盡可能準確模擬主軸箱真實受力狀態,各零部件之間的安裝面連接剛度根據經驗設置為7×109N/m。對主軸箱的絲母座安裝面、滑塊安裝面進行相應約束,進而完成邊界條件的設定。應用Simulation插件的網格劃分功能,采用四面體實體網格,對兩種不同形式懸伸結構的主軸箱模型進行網格劃分。網格劃分完成之后,延長套式主軸箱的節點數為46 730,網格單元數為26 711;整體式主軸箱的節點數為42 341,網格單元數為2 419。

3 靜力學分析

Simulation插件擁有強大的解算能力及后處理能力,可以根據具體模型選擇最佳的解算器,進行解算。臥式加工中心主軸箱在實際工況下的變形云圖如圖4所示。由圖4可以看出,對于不同懸伸結構的主軸箱,最大變形均位于主軸鼻端。其中,延長套式主軸箱的最大變形量為0.012 mm,整體式主軸箱的最大變形量為0.010 mm,相比延長套式主軸箱減小了16.7%。

▲圖4 主軸箱變形云圖▲圖5 主軸箱應力云圖

分析認為,分體式主軸箱結構在延長套與主軸箱體之間存在接合面,接合面屬于剛性薄弱環節,雖然延長套采用的鋼質材料剛性大于鑄鐵材料,但不足以彌補增加接合面所帶來的剛性損失。

臥式加工中心主軸箱在實際工況下的應力云圖如圖5所示。由圖5可以看出,對于不同懸伸結構的主軸箱,應力均主要集中在主軸安裝孔末端,整體式主軸箱應力分布更加均勻。其中,延長套式主軸箱的最大應力為4.36 MPa,整體式主軸箱的最大應力為4.55 MPa,兩者基本持平。

分析認為,分體式主軸箱的延長套為鋼材,主軸箱為鑄鐵材料,兩者材料不同,鑄鐵材料彈性模量低于鋼材,當鋼材與鑄鐵材料接觸時,在同等受力大小的情況下,鑄鐵材料一側會承受更大的變形量,導致應力更加集中在鑄鐵一側。因此,分體式主軸箱應力更加集中在主軸安裝孔末端,整體式主軸箱材質統一,各部分變形協調,應力分布也相對均勻。

4 模態分析

刀具在切削過程中,切削力呈周期性變化。對于主軸箱而言,除了要考慮靜力學特性,動態性能也至關重要。筆者通過Simulation插件的振動分析功能,對兩種結構的主軸箱進行模態分析。

延長套式主軸箱前五階模態振型圖如圖6所示,對應振型特點見表1。

▲圖6 延長套式主軸箱前五階振型

表1 延長套式主軸箱前五階振型特點

整體式主軸箱前五階模態振型圖如圖7所示,對應振型特點見表2。

▲圖7 整體式主軸箱前五階振型

表2 整體式主軸箱前五階振型特點

整體式主軸箱的固有頻率要高于延長套式主軸箱,其中整體式主軸箱一階固有頻率為387.48 Hz,相比于延長套式主軸箱的一階固有頻率363.20 Hz高出6.7%。切削共振主要集中在低階固有頻率下,提升低階固有頻率可以擴大主軸的切削轉速范圍,避免共振頻率,對主軸的加工能力有顯著提升作用。此外,兩種結構的主軸箱前三階變形位置均為主軸鼻端,且變形量基本相同。

分析認為,延長套式主軸箱增大了延長套與主軸箱之間的接合面,導致主軸箱整體剛性降低,進而導致固有頻率降低及振型改變。

5 結束語

筆者針對不同懸伸結構的臥式加工中心主軸箱,應用SolidWorks軟件進行幾何建模,并根據實際工況,運用Simulation插件進行靜力學及模態分析。結果表明,整體式主軸箱的最大變形量小于延長套式主軸箱。相比延長套式主軸箱,整體式主軸箱的最大變形量減小16.7%。兩者最大應力降低基本持平,整體式主軸箱的應力分布更加均勻。

在動態性能方面,整體式主軸箱的固有頻率相比延長套式主軸箱高6.7%,前三階模態的變形位置及振幅基本相當。

綜合來看,整體式主軸箱在靜態及動態性能方面均優于延長套式主軸箱,原因在于延長套式主軸箱增大了延長套與主軸箱之間的接合面,引起主軸箱整體剛性的下降,進而導致靜態和動態性能降低。筆者分析結果可為臥式加工中心主軸箱的設計和優化提供指導和參考。