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乐投体育网址机床主轴部件静动态性能分析

作者: admin 来源: 未知 发布时间:2020-09-15 02:42

  机床主轴部件静动态性能分析_机械/仪表_工程科技_专业资料。No.24,2009 现代商贸工业 Modern Business Trade Industry 2009年第24期 机床主轴部件静动态性能分析 刘 江1 王晓鹏1 陈经界2 (1.北京科技大

  No.24,2009 现代商贸工业 Modern Business Trade Industry 2009年第24期 机床主轴部件静动态性能分析 刘 江1 王晓鹏1 陈经界2 (1.北京科技大学机械工程学院,北京100083;2.山东鑫泰数控装备科技有限公司,山东滕州275500) 摘要:以山东鑫泰数控装备科技有限公司生产的某数控车床为对象,研究了机床主轴部件有限元模型的建模方法, 以及采用弹簧阻尼单元模拟主轴轴承支承的方法研究,并对主轴部件进行有限元分析,包括静态分析,模态分析等。 关键词:主轴部件;有限元分析f动态性能;静态刚度 中图分类号:TG502 文献标识码:A 文章编号:1672—3198(2009)24—0276-02 1 NC机床及其主轴结构 以山东鑫泰数控装备科技有限公司生产的CKGB6136 机床的主轴为研究对象。该机床其最高主轴转速为3000,乐投体育网址 进给系统的快移速度为30。图1为该机床的虚拟装配结 果。 重要指标,通常用来代替主轴的刚度。而且主轴的轴向刚 度完全取决于轴承的轴向刚度。因此在建立有限元模型中 只考虑径向刚度影响,利用四个周向均布的弹簧阻尼单元 模拟。由于弹簧布置角度的不同,分析结构差异很小,即对 主轴固有特性的影响很小,所以本文则主要针对图4所示 的弹簧布置情况进行研究分析。 图1 CKGB6136总装图 该机床主轴轴承采用哈轴HRB精密轴承。机床主轴 采用两支承和前端定位结构,前支承采用内锥孔双列圆柱 滚子轴承来承受径向力,提高机床主轴径向刚度和主轴回 转精度,采用背靠背安装的角接触球轴承来主要承受轴向 力,减小主轴轴向窜动量,提高轴向刚度I后支承采用背靠 背安装的角接触球轴承,主要承受轴向力。 图2主轴结构示意圈 2有限元模型的建立 有限元模型的建立,可以在有限元分析软件中直接建 立,也可以采用其他三维实体造型软件建立,然后通过对应 的接口调入分析软件中。本文对于机床及其部件模型的建 立都是通过PRO/E来实现的。在建模过程中,对模型进行 了必要的简化。螺纹、键槽等按实体处理,忽略了一些局部 特征。图3为机床主轴的动力学模型。利用弹簧阻尼单元 模拟轴承的弹性支承,位置取在轴承安装的中间截面处。 箱体 箱体箱体 圈3主轴动力学模型图 主轴的刚度包括径向刚度和轴向刚度,一般来说,径向 刚度远比轴匀剐度重要。是衡量主轴单元精度和抗振性的 --—— 276.-—— 万方数据 母 "钾 圈4弹簧单元布置图 在有限元模型建立过程中,每组弹簧阻尼单元采用 eombin 14单元,该单元具有一维,二维或三维应用中的轴 向或扭转的性能。弹簧阻尼单元没有质量,其质量可以通 过其他合适的质量单元来添加,如MASS21等。主轴零件 采用Solid 92单元,该单元有二次方位移和能很好划分不规 则的网格,并且有可塑性、蠕动、膨胀、应力钢化,大变形, 和大张力的能力。对于主轴支承部分,在每个圆周截面上 沿圆周均布的四个弹簧阻尼单元,弹簧单元的长度按照各 处轴承的内外圈半径确定。外圈节点利用关键点建立,内 圈节点采用硬点建立,同时弹簧单元的划分数目为1。而所 有弹簧阻尼单元的外部节点,采用全约束限制所有自由度, 对于前端的内锥孔轴承支承内部的四个节点则限制轴向自 由度,其他的节点则是自由状态. 图5 主轴及轴承组 件的有限元模型图 圈6 主轴组件静载荷作用 下的的变形图 弹簧阻尼单元eombin 14的输入数据: 滚动轴承的弹性变形量与载荷不是线性关系,轴承的刚度 也不是恒定值。因此轴承的剐度可以通过经验公式来计算。 C—kd 式中:c-一轴承的刚度,N/pm, 量——刚度系数l d——轴承内径尺寸,mn; 其中由哈轴集团公司提供的刚度系数为: 角接触球轴承70(OO)AC z 7.3(DBB) 圆柱滚子轴承NN30;30(2zm过盈) No.24,2009 现代商贸工业 Modern Business Trade Industry 2009年第24期 弹簧阻尼单元 前支承 中间支承 后支承 弹簧刚度(N/m) 弹簧阻尼(N·din) 2.25×109 0 1.8X10s 0 1.56×10s 0 由于阻尼对横向振动固有特性的影响很小,所以各支 承处的弹簧阻尼单元其阻尼都忽略不计。 3静载荷的计算及主轴部件静刚度分析 对于主轴部件而言,仿真分析主要考虑的外载荷为机 床加工过程中的切削力。在实际中使用的切削力计算的经 验公式有:指数公式和单位切削力。而本文仿真分析所使 用的是指数公式。 主切削力 Fc=9.81CF·4xPF‘·尸‘·铆”c·KF 背向力 Fc一9.81CF·口笋’·尸‘·扩‘·KF 迸绘力 Fc一9.81CF·《j·PF J·秽F,·KF 式中KF,KF.,KF,是各种因素对切削力的修正系数 的乘积,并且 KF—KmF.·KK.F·Kr^F·KK。.F·K r.F, 其中K,,IF——钢和铸铁的强度改变时切削力的修正系数, 当加工材料为结构钢和铸钢时K,,lF。一(£‰)’} KK F——加工钢和铸铁时刀具主偏角改变时切削力的 修正系数I KroF——加工钢和铸铁时刀具前角改变时的修正系数; KK^F——加工刚和铸铁时刀具刃倾角改变时的修正 系数; K,F——加工钢和铸铁时刀具刀尖圆弧半径改变时的 ● 修正系数。 静载荷计算输入数据如下表所示: 加工 材料 刀具 加工 主切削力 吐 材料 型式 工‘ ’Fc ”‘ 背向力 进给力 CFp zF h yFp ”L OFf zFj )FI n}j 结构钢 及铸钢 硬质 %一0.637 合金 Gpa 切槽 及 切断 367 ).72 0.8 0 142 D.73 ).67 0 参数 修正系数 名称 刀具材料 数值 名称 切削力 RD F/ 主偏角b(。) 90 硬质合金 KKrF 0.89 0.5 1.17 前角ro(’) 刃倾角山(。) 10 硬质合金 KrOF 1.0 1.0 1.0 %,F 0 硬质合金 1.0 1‘0 1.0 刀尖圆弧半径n/—n 0.5 高速钢 KrF 0.87 0.66 1.0 由计算可得主轴系统的主切削力R=2087.1 N;背向力 由图可得主轴的静刚K----警--324.3。 D=430.2 N。有限元模型的加载及分析结果如图6所示: 主轴模型当量直径:d--尘鱼去车老{甍考宴铲 根据主轴刚度的经验计算公式计算可知: 其中,d1、d2、……、破——主轴简化模型对应各段的直径,聊扎; 主轴挠度;文一丽乏南 11、z2、……、厶——主轴简化模型对应各段的长度,,阳竹; 其中,F-一外载荷,mm; 口——前端悬伸,mm; 6——跨距,trim; d。——主轴通孔直径,ram 主轴刚度:,一÷ .|K 将主轴模型对应的各数据带入公式可得K,一335.6,与 有限元法得到的数据324.3相符的比较好。后经分析,仿 真结果与计算结果之间存在差异。主要是由于外载荷—— 切削力的施加位置方式与主轴实际加工时的情况存在偏 差,比如加工时主轴实际所受力的位置等。但是仿真分析 结果符合设计所需,满足要求。 4主轴及主轴部件模态分析结果及其说明 经分析得,主轴在自由状态下的各阶频率及对应转速 如下(主轴前六阶视为平动,固有频率为零): 阶次 6 lm率/HZ 0 障速/r/miIi 0 7 8 9 70.103 70.111 107.28 4206.18 4206.66 6436.8 10 146.39 8783.4 图7主轴自由状态下 图8 主轴自由状态下 的第7阶振型围 的第8阶振型图 其中第七阶和第八阶的频率相近,可以视为分析计算 的重根,模态又相互独立且正交,所以此时的转速可以看成 为临界转速之一。然而本机床的设计最高转速为3000,远 低于4206,所以此情况下的分析结果表明,此主轴的设计 是合理的。 对应主轴附加轴承弹性约束时的各阶频率为(主轴组 件前六阶对应频率为零,视为平动): 图9主轴组件弹性约束 下的第2S阶振型图 图lO主轴组件弹性约 束下的第26阶振型图 分析得,在施加弹簧阻尼约束,即轴承约束的条乐投体育官网件下,6 阶--24阶主轴组件的频率值都很小,几乎为零,而第25阶 时发生阶跃达到1258.4HZ。并且第一次相互独立且正交 的重根出现在第25阶和第26阶时,其对应转速75504也远 大于主轴组件的设计频率3000,所以初步可得该机床的设 计转速为合理的,设计转速范围有效的避开了共振区。 5 结语 作为机床最为关键的部件,对主轴动态性能分析方法 的研究毋庸置疑具有重要的理论和现实意义。本文通过对 机床CKGB6136主轴部件的有限元建模方法,特别是探讨 及检验了采用弹簧阻尼单元建立轴承支承有限元模型的方 法,并与机床的实际检测参数做了对比分析。有限元分析 的结果和实际检测结果符合的比较好,说明此方法可以应 用于类似主轴部件的分析和设计优化方面。但是为了进一 步提高仿真分析的精度,深入对机床关键参数检测的试验 是很有必要的。 参考文献 E13张耀满.刘春时,谢志坤。等.高速数控机床主轴部件有限元建模 方法研究EJ3.制造技术与机床,2008,(9):76—79. [23黄旭东,费仁元,杨家华.主轴部件动态性能的试验研究EM].北 京工业大学学报,1994,20(3):33—38. [3]胡秋,腾强.数控机床高速主轴单元动态特性仿真分析EJI.机床 与液压,2007,35(1):204—206. E4l冯辛安,黄玉芙,关慧贞.机械制造装备设计(第二版)[M].北京: 机械工业出版社,2006. E53张世杰,王英,郭志明.陈思坤等.数控机床研发设计生产新工艺 新技术与国内外数控机床安全操作及故障检修实用手册(一) EM].北京:机械工业出版社,2007. 万方数据 --——277·-—— 机床主轴部件静动态性能分析 作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 刘江, 王晓鹏, 陈经界 刘江,王晓鹏(北京科技大学机械工程学院,北京,100083), 陈经界(山东鑫泰数控装备科技 有限公司,山东滕州,275500) 现代商贸工业 MODERN BUSINESS TRADE INDUSTRY 2009,21(24) 参考文献(5条) 1.张耀满;刘春时;谢志坤 高速数控机床主轴部件有限元建模方法研究[期刊论文]-制造技术与机床 2008(09) 2.黄旭东;费仁元;杨家华 主轴部件动态性能的试验研究 1994(03) 3.胡秋;腾强 数控机床高速主轴单元动态特性仿真分析[期刊论文]-机床与液压 2007(01) 4.冯辛安;黄玉美;关慧贞 机械制造装备设计 2006 5.张世杰;王英;郭志明;陈思坤 数控机床研发设计生产新工艺新技术与国内外数控机床安全操作及故障检修实用手 册(一) 2007 本文读者也读过(5条) 1. 姚涛.段国林.蔡瑾 机床主轴部件有限元分析[会议论文]-2007 2. 陈明煌 提高车床主轴组件安装精度和刚度的方法[期刊论文]-化学工程与装备2009(11) 3. 袁荣娟 机床主轴刚度研究[期刊论文]-机械研究与应用2003,16(3) 4. 钱学毅.吴祯芸.吴双.QIAN Xue-Yi.WU Zhen-Yun.WU Shuang 机床主轴刚度可靠性概率有限元分析[期刊论文]机电产品开发与创新2008,21(4) 5. 杨怀强.孙念明.YANG Huaiqiang.SUN Nianming 关于卧式机床主轴组件的优化与设计[期刊论文]-科技传播 2011(12) 本文链接:

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