車銑復(fù)合加工中心主軸結(jié)構(gòu)的有限元分析
2022-5-30 來源：齊齊哈爾工程學(xué)院 作者：謝偉東
摘要： 車銑復(fù)合加工中心主軸是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵性零件，機(jī)床在運(yùn)行過程中會(huì)受到不同程度的切削力，想要防止機(jī)床變形問題的發(fā)生率，需要通過科學(xué)的結(jié)構(gòu)設(shè)置保證機(jī)床的剛度，當(dāng)承受較大的切削力時(shí)，依然保有較高的加工精度，降低自激振動(dòng)問題的發(fā)生。采用有限元分析技術(shù)創(chuàng)建系統(tǒng)模型，通過車銑復(fù)合加工中心主軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)調(diào)整，對(duì)主軸剛度進(jìn)行分析驗(yàn)算，車銑復(fù)合加工中心主要包括單元技術(shù)、機(jī)床整機(jī)技術(shù)，其中主軸單元屬于單元技術(shù)的重要環(huán)節(jié)。車銑復(fù)合加工中心主軸（電主軸）結(jié)構(gòu)的有限元分析，主要研究目的是提高機(jī)床運(yùn)行的穩(wěn)定性，保證加工精度和主軸剛度。
關(guān)鍵詞：車銑復(fù)合加工中心；主軸結(jié)構(gòu)；有限元分析
０ 引言
車銑復(fù)合加工中心主軸結(jié)構(gòu)包括：主軸電機(jī)、主軸和軸承等部分，主軸作為機(jī)床的核心部件，其結(jié)構(gòu)性能對(duì)在整臺(tái)機(jī)床的運(yùn)行穩(wěn)定性有著重要影響，想要全面提高切削速度、保證機(jī)械加工精度，就需要建立有限元分析模型，分析主軸結(jié)構(gòu)性能。主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的技術(shù)手段相互制約，解決速度與剛度之間的矛盾，借助有限元分析法的便利性和靈活性，對(duì)車銑復(fù)合加工主軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，通常情況下安裝兩個(gè)主軸，實(shí)現(xiàn)在不停車狀態(tài)下的自動(dòng)對(duì)接轉(zhuǎn)移，自動(dòng)化完成絕大部分的工件加工工作，提高加工效率。
１、車銑復(fù)合加工中心主軸結(jié)構(gòu)
１．１ 車銑復(fù)合加工中心主軸結(jié)構(gòu)
結(jié)合軸承結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)，車銑復(fù)合加工中心主軸通常 只存在徑向剛度，簡(jiǎn)化處理后發(fā)現(xiàn)徑向壓縮彈簧。車銑復(fù)合加工中心主軸簡(jiǎn)化后的力學(xué)模型分析過程中，可以有選擇的忽略軸承剛度與轉(zhuǎn)速、負(fù)荷之間的關(guān)系，假設(shè)軸承的剛度為標(biāo)準(zhǔn)常數(shù)進(jìn)行后續(xù)的有限元分析工作，這一過程中省略了工作人員的計(jì)算量，結(jié)合主軸結(jié)構(gòu)類型，主要采用滾動(dòng)軸承，省略阻力因素分析并不會(huì)對(duì)最終的分析結(jié)果產(chǎn)生影響。如圖1所示，簡(jiǎn)化主軸剛度細(xì)節(jié)部位進(jìn)行整體顯示。
１．１．１ 軸殼
在進(jìn)行主軸結(jié)構(gòu)分析的過程中，軸殼作為主要部件之間，其尺寸與位置會(huì)對(duì)主軸設(shè)計(jì)精度產(chǎn)生影響，通過安裝過程的查看，設(shè)計(jì)人員將軸承座孔安裝到軸殼上，在進(jìn)行電機(jī)定子安裝的過程中，需要保持一端處于開放狀態(tài)。一些大型的主軸結(jié)構(gòu)中，為了安裝便利，會(huì)在軸殼兩端設(shè)計(jì)的過程中采用開放型設(shè)計(jì)原理，提高主軸的運(yùn)行速度，保證運(yùn)行功率，其中轉(zhuǎn)子直徑要高于軸承外徑，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床裝配精度的控制，后軸承安裝區(qū)域提供無間隙配合。
圖１ 車銑復(fù)合加工中心主軸簡(jiǎn)化后的力學(xué)模型
１．１．２ 轉(zhuǎn)軸
轉(zhuǎn)軸屬于主軸的重要回轉(zhuǎn)體，轉(zhuǎn)軸的實(shí)際精度會(huì)對(duì)主軸的整體精度產(chǎn)生影響，采用的轉(zhuǎn)軸對(duì)形位公差、尺寸精度有著高質(zhì)量要求，轉(zhuǎn)軸在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，受到偏心質(zhì)量的影響產(chǎn)生不規(guī)則振動(dòng)，無法保證機(jī)床動(dòng)態(tài)性能的穩(wěn)定性，需要借助有限元測(cè)試轉(zhuǎn)軸的動(dòng)平衡，在測(cè)試的過程中一部分轉(zhuǎn)軸上的零件要同時(shí)接受動(dòng)平衡測(cè)試。
１．１．３ 軸承
精密軸承作為主軸的核心支承部件，其尺寸、位置和功能會(huì)對(duì)主軸最高轉(zhuǎn)速產(chǎn)生影響，因此在主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中，需要選擇高速性能、動(dòng)負(fù)荷承載強(qiáng)以及發(fā)熱量小的精度軸承，其中常見的類型有：動(dòng)靜壓軸承、磁浮軸承等。
１．２ 主軸電機(jī)有限元分析
１．２．１ 電機(jī)的有限元仿真
在進(jìn)行主軸電機(jī)有限元分析的過程中，采用仿真處理的方式，主要的計(jì)算對(duì)象是電路、磁路，以此為基礎(chǔ)，通過 Ａｎｓｏｆｔ中的 ＲＭ ｘｐｒｔ模塊進(jìn)行電機(jī)結(jié)構(gòu)選擇，參與到電磁設(shè)計(jì)分析的過程中，計(jì)算軟件仿真建模數(shù)據(jù)。將已經(jīng)完成的電機(jī)模型信息輸入到二維瞬態(tài)場(chǎng)。加載幾何模型的同時(shí)進(jìn)行模型材料定義，分別設(shè)定電機(jī)主從邊界條件，采用網(wǎng)格劃分的形式得到各項(xiàng)信息，轉(zhuǎn)子受力過程中對(duì)氣隙網(wǎng)格具有一定的敏感性，因此，在得到的最小氣隙處分別設(shè)置了多層網(wǎng)格，計(jì)算出主軸電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，了解主軸電機(jī)的電流變化流程。
１．２．２ 二維電機(jī)瞬態(tài)分析
將已經(jīng)構(gòu)建完成的仿真模型輸入到 Ｍａｘｗｅｌｌ２Ｄ 瞬態(tài)場(chǎng)，利用數(shù)據(jù)分析軟件定義電機(jī)內(nèi)部的主材料、設(shè)定精準(zhǔn)度的邊界條件，合理添加激勵(lì)源，做好網(wǎng)格劃分處理。如圖２所示，計(jì)算磁鏈在經(jīng)過轉(zhuǎn)子齒面時(shí)的疏密程度，分析轉(zhuǎn)子齒部尺寸對(duì)最終分析結(jié)果的影響，并結(jié)合呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)效果圖示，得出轉(zhuǎn)子電阻與轉(zhuǎn)子齒部尺寸的關(guān)系，保證漏抗與加工速度相契合。在主軸電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中滿足機(jī)床運(yùn)行速度范圍內(nèi)的功率、扭矩需求，全面提高轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)階段強(qiáng)度。
圖２ 雙層繞組
１．３ 主軸電機(jī)繞組設(shè)計(jì)
主軸電機(jī)的定子繞組為勵(lì)磁繞組，在主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過程中電機(jī)繞組設(shè)計(jì)質(zhì)量會(huì)影響到主軸動(dòng)力性能，車銑復(fù)合加工中心主軸電機(jī)繞組設(shè)計(jì)過程中采用單層繞組，需要在每個(gè)槽放置線圈邊。單層繞組的線圈槽數(shù)量較少，實(shí)現(xiàn)對(duì)槽面積的綜合利用，繞組的斷口接線長(zhǎng)度有限，無法隨意進(jìn)行節(jié)距調(diào)整，繞組的端部交疊安裝，具有較高的穩(wěn)定性。在進(jìn)行繞組類型選擇的過程中，要結(jié)合主軸結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行綜合考量，車銑復(fù)合加工中心主軸的定子槽較淺，主要采用雙層繞組，在嵌線階段會(huì)遇到很多問題，繞組的散熱性能較差，但雙層繞組的應(yīng)用能夠降低高次諧波損耗。
１．４ 電機(jī)定子繞組的有限元分析
１．４．１ 有限元模型的建立
車銑復(fù)合加工中心主軸定子繞組為三相１２／８極結(jié)構(gòu)ＳＩＴＭ，結(jié)合ＳＲＭ定轉(zhuǎn)子外徑與內(nèi)徑的數(shù)據(jù)信息，對(duì)定轉(zhuǎn)子極弧系數(shù)、氣隙等數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，選擇合適的零件尺寸完成主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與安裝，在計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)系統(tǒng)中生成了幾何模型進(jìn)行有限元分析，從機(jī)床控制接口輸入幾何模型，利用瞬態(tài)模塊完成二維時(shí)步有限元計(jì)算。通過計(jì)算機(jī)軟件定義外加電路，分別建立功率變換器分析模型、驅(qū)動(dòng)電路分析模型，彼此之間相互驗(yàn)證形成仿真體系。
１．４．２ 三角形單元網(wǎng)格剖分
定子繞組有限元分析的前提是電機(jī)模型的建立，定義運(yùn)動(dòng)邊界的限制條件，通過有限元算法分析的時(shí)間步長(zhǎng)，了解電機(jī)系統(tǒng)網(wǎng)格的劃分情況。Ｍａｘｗｅｎ能夠自動(dòng)剖分有限元網(wǎng)格，在實(shí)際分析計(jì)算過程中，當(dāng)計(jì)算精度無法滿足分析需求時(shí)，需要借助手工操作的方式，全面提高氣隙區(qū)域的網(wǎng)格密度。三角形單元網(wǎng)格剖分形式的運(yùn)用，劃分過程十分仔細(xì)，網(wǎng)格的剖分精度較高，但需要機(jī)器保持高運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)。在進(jìn)行磁場(chǎng)能量集中、磁場(chǎng)變化快的氣隙區(qū)域，要確保網(wǎng)格劃分的精細(xì)程度，提高計(jì)算精度的同時(shí)，完成磁場(chǎng)變化不明顯的電機(jī)區(qū)域網(wǎng)格劃分。有限元計(jì)算需要具備理想的邊界條件（磁通平行邊界），在進(jìn)行繞組激勵(lì)源輸入的過程中，要通過外電路完成輸入，建立ＳＲＭ 驅(qū)動(dòng)電路分析模型。
２、有限元分析車銑復(fù)合加工中心主軸結(jié)構(gòu)
２．１ 有限元分析的主要流程
想要保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，就需要結(jié)合車銑復(fù)合加工中心主軸的實(shí)際構(gòu)成情況，建立三維實(shí)體模型，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行靜態(tài)分析，適當(dāng)?shù)貙?duì)主軸增加約束力和載荷重量，根據(jù)有限元模型顯示的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息，在 ＡＮＳＹＳＹ 里求解，分析機(jī)床主軸的廣義特征。
通過合理計(jì)算得到車銑復(fù)合加工中心主軸的有限元節(jié)點(diǎn)，分析有限元模型坐標(biāo)系中產(chǎn)生的變形情況和移動(dòng)情況，借助表格與色度圖的顯示形式，向計(jì)算人員展示設(shè)備與零件的位移數(shù)值與扭轉(zhuǎn)變形的程度。分析多個(gè)節(jié)點(diǎn)的變形強(qiáng)弱，對(duì)主軸運(yùn)行階段承受的應(yīng)力大小進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)得到車銑復(fù)合加工中心主軸應(yīng)力的主要受力點(diǎn)，分析多個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移變化，將得到的數(shù)值代入到徑向剛度計(jì)算公 式：Ｋｒ＝Ｆ／Ｗ ，完成車銑復(fù)合加工中心主軸剛 度計(jì)算。
２．１．１ 主軸部件有限元模型
車銑復(fù)合加工中心主軸普遍為階梯空心軸，在進(jìn)行主軸部件動(dòng)態(tài)、靜態(tài)設(shè)計(jì)的過程中，需要利用有限元分析軟件（ＡＮＳＹＳ）對(duì)主軸部件的工作情況進(jìn)行分析，根據(jù)運(yùn)行時(shí)期工件的具體表現(xiàn)，制定主軸部件有限元模型，對(duì)分析流程進(jìn)行分割。一般情況下，車銑復(fù)合加工中心主軸部件構(gòu)成，需要前后兩套角與陶瓷球軸承建立支撐關(guān)系，保證前軸承的固定狀態(tài)，能夠完成承受徑向載荷、雙向軸向載荷，后軸承在定向階段會(huì)產(chǎn)生輕微的位移，在進(jìn)行主軸工作熱伸長(zhǎng)的補(bǔ)償處理階段，前后軸承在完成定位轉(zhuǎn)移的同時(shí)，將盈套固定在主軸區(qū)間。電機(jī)轉(zhuǎn)子改變鍵聯(lián)接的狀態(tài)，轉(zhuǎn)移到前后軸承之間，轉(zhuǎn)矩的傳遞工作需要借助壓配合的摩擦力完成。
主軸部件建模的過程中，需要通過有限元分析 ＡＮ－ＳＹＳ，計(jì)算簡(jiǎn)化處理后實(shí)體模型的具體尺寸，生成關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，在得到的截面上進(jìn)行平面單元設(shè)計(jì)，主要采用手工劃分網(wǎng)格離散的處理形式，將帶網(wǎng)格的截面轉(zhuǎn)化為帶網(wǎng)格的物體。結(jié)合現(xiàn)有的主軸約束條件，參考主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的實(shí)際情況，進(jìn)行科學(xué)的有限元分析，計(jì)算得到主軸的載荷條件，分析車銑復(fù)合加工中心主軸的銑削力。
２．１．２ 特定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特征分析
特定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特征分析指的是主軸結(jié)構(gòu)的固有頻率以及振型，采用模態(tài)分析的形式進(jìn)行主軸結(jié)構(gòu)故障診查，通過得到的固有頻率值分析了解主軸結(jié)構(gòu)的整體剛度，分析結(jié)論：固有頻率越大、結(jié)構(gòu)剛度越大。分析主軸結(jié)構(gòu)故障產(chǎn)生的主要原因，將機(jī)床振動(dòng)形式分為自由振動(dòng)、被動(dòng)振動(dòng)和自激振動(dòng)三種，機(jī)床振動(dòng)可能造成刀具位移，影響工件的運(yùn)行速度，無法保證工件的加工精度，最終的機(jī)床加工精度、效率不理想的后果。建立有限元分析模型計(jì)算機(jī)床固有頻率，是保證機(jī)床整體性能的主要手段。
圖３ ＡＮＳＹＳ中主軸部件模型
２．２ 車銑復(fù)合加工中心主軸結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
２．２．１ 主軸結(jié)構(gòu)靜態(tài)分析
通過有限元分析技術(shù)對(duì)車銑復(fù)合加工中心主軸結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行了解，靜態(tài)分析首先需要了解主軸變化前后所產(chǎn)生的位移矢量，分析車銑復(fù)合加工中心主軸變形的主要區(qū)域，變形問題主要出現(xiàn)在主軸的前端部位，這是因?yàn)橹鬏S前端作為主要受力點(diǎn)。與之相反后主軸端的變形問題并不嚴(yán)重，通過調(diào)查分析表明，車銑復(fù)合加工中心主軸的受力點(diǎn)所產(chǎn)生的應(yīng)力最大，隨著坐標(biāo)的移動(dòng)，應(yīng)力也逐漸向主軸后端移動(dòng)。
２．２．２ 主軸結(jié)構(gòu)模態(tài)分析
采用三維實(shí)體模態(tài)分析法，對(duì)車銑復(fù)合加工中心主軸的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行觀察，主要的分析內(nèi)容是，機(jī)床高速銑頭的固有振動(dòng)頻率，以此作為依據(jù)了解振動(dòng)特性與響應(yīng)特性，無阻尼自由振動(dòng)實(shí)驗(yàn)得到車銑復(fù)合加工中心主軸的固有振動(dòng)特性，如表 １ 所示，在檢驗(yàn)固有頻率的同時(shí)，分析振動(dòng)的主要類型以及振動(dòng)過程中產(chǎn)生的應(yīng)力數(shù)值。車銑復(fù)合加工中心主軸運(yùn)行的過程中，通過交變循環(huán)產(chǎn)生應(yīng)力作用到主軸，產(chǎn)生生產(chǎn)疲勞，對(duì)內(nèi)部設(shè)備和工件造成不同程度的破壞。因此，需要制定出合理的解決方案提高主軸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，借助模態(tài)分析法計(jì)算出主軸的固有頻率與臨界轉(zhuǎn)速，通過數(shù)據(jù)調(diào)整在有效轉(zhuǎn)速 ＜ 臨界轉(zhuǎn)速的狀態(tài)下重新定位，避免對(duì)共振區(qū)域造成損耗，全面提高主軸設(shè)計(jì)成效。
表１ 電主軸的固有振動(dòng)頻率和振型
２．３ 主軸結(jié)構(gòu)銑削靜剛度分析
銑削靜剛度分析的主要目的是，了解機(jī)器在運(yùn)行過程中，各項(xiàng)數(shù)據(jù)是否滿足機(jī)床精度加工標(biāo)準(zhǔn)，在車銑復(fù)合加工中心主軸的靜剛度分析階段，結(jié)合靜載荷、位移比值，通過模型演示，利用極端公式分析主軸剛度。車銑復(fù)合加工中心主軸結(jié)構(gòu)中主軸箱前端呈現(xiàn)出六角外形，傾斜分布加強(qiáng)筋對(duì)主軸載荷進(jìn)行分解，當(dāng)主軸箱的頭部呈現(xiàn)出矩形，主軸孔壁會(huì)與板壁之間相切，同時(shí)在另外一側(cè)設(shè)置加強(qiáng)筋作為支撐，主軸載荷分解轉(zhuǎn)移到左壁、兩處加強(qiáng)筋上。選擇合適形狀的對(duì)角筋，能夠全面提高主軸箱的彎曲剛度，降低立柱發(fā)生變形的概率，如表 ２ 所示，在主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，通過有限元分析得到主軸剛度的極差變化，降低主軸面內(nèi)彎曲問題的發(fā)生。
表２ 主軸剛度的極差分析表
總結(jié)：在車銑復(fù)合加工中心主軸結(jié)構(gòu)問題解決的過程中，需要通過有限元分析得到準(zhǔn)確的主軸端變形動(dòng)態(tài)演示，在有 ＡＮＳＹＳ軟件中以動(dòng)畫播放的形式表現(xiàn)出來，并做好視頻、數(shù)據(jù)記錄找到危險(xiǎn)截面的所處區(qū)域，顯示出臨近受力點(diǎn)的軸肩區(qū)域工作情況，通過軸有限元模型完成２Ｄ、３Ｄ 的主軸模態(tài)分析，為車銑復(fù)合加工中心主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供精準(zhǔn)的參考數(shù)據(jù)，作為設(shè)計(jì)修改的基礎(chǔ)。
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