【正文】 車床主軸扭轉(zhuǎn)剛度的 ANSYS 分析 ④基于 ANSYS 的 CK6132 主軸的模態(tài)分析 CK6132 數(shù)控車床簡介 CK6132 數(shù)控車床適用于加工短軸或盤類零件的各種內(nèi)外回轉(zhuǎn)表面，以及內(nèi)外公英制螺紋，且能夠進行切槽和鉆、鏜、鉸孔加工。數(shù)控機床的發(fā)展趨勢是高速化和高精密化。數(shù)控機床是典型的技術(shù)密集且自動化程度很高的機電一體化加工設(shè)備。 60 年代初， 和 采用了規(guī)則的三角形單元，從變分原理出發(fā)來求解微分方程式。上述比較傳統(tǒng)的方法獲得的計算結(jié)果大多用于不同結(jié)構(gòu)性能的定性分析和比較。 第頁共 34 頁 第一章引言 研究的目的和意義 主軸部件是數(shù)控機床的重要部件之一，直接參與切削加工，對機床的加工精度，表面質(zhì)量和生產(chǎn)率影響很大。因而長期以來，在許多情況下仍沿用外推或類比的方法進行機床結(jié)構(gòu)的設(shè)計。有限元或有限單元（ Fi Element）這一術(shù)語，是 于 1960 年在一篇論文中首次提出的。 數(shù)控車床的發(fā)展 數(shù)控機床（ numerical control machine tool）是采用了數(shù)字控制技術(shù)（ numerical control 簡稱 NC）的機械設(shè)備，就是通過數(shù)字化的信息對機床的運動及其加工過程進行控制，實現(xiàn)要求的機械動作，自動完成加工任務(wù)。近幾年，又出現(xiàn)了以數(shù)控機床為基本加工單元的計算機集成制造系統(tǒng)（ puter integrated manufacturing systems,簡稱CIMS），實現(xiàn)了生產(chǎn)決策、產(chǎn)品設(shè)計及制造、經(jīng)營等過程的計算機集成管理和控制。機床動靜態(tài)分析的原理方法是具有共性的，用動靜態(tài)分析的原理方法來分析具體的機床是有其特殊性的，所以，在有限元方法在數(shù)控車床設(shè)計中的應(yīng)用方面做一些探討是有意義的。最后確定的 nmax和 nmin還應(yīng)與同類型車床進行對比（ D工件最大回轉(zhuǎn)直徑）。 無級傳動時 nj= （ ） 第頁共 34 頁 CK6132 數(shù)控車床主傳動分析 主傳動分析 CK6132 數(shù)控車床主傳動采用通用變頻器和普通異步交流電動機驅(qū)動。 ④主傳動的計算轉(zhuǎn)速為 238r/min。 旋轉(zhuǎn)精度 主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度，是指裝配后，在無載荷、 低速轉(zhuǎn)動（用手轉(zhuǎn)動或低速機動轉(zhuǎn)動１的條件下，主軸前端安裝工件或刀具部位的徑向和軸向跳動值。目前對主軸組件的彎曲剛度標準尚無統(tǒng)一規(guī)定。如果前、后軸承溫升不同，還將使主軸傾斜。 車床主軸常用滾動軸承 軸承選型 主軸滾動軸承是主軸組件的重要組成部分，它的類型、結(jié)構(gòu)、配置、精度、安裝、調(diào)整、潤滑和冷卻都直接影響主軸組件的工作性能。主軸軸承，可選用圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承和角接觸球軸承。 ②雙向推力角接觸球軸承 BTAA/BTAB。主軸軸承以 4級為主（記為 4）。 不同精度等級的機床，主軸軸承的精度可參照表 選用。有軸向預(yù)緊力 C。 主軸直徑的選擇 在設(shè)計之初，由于確定的只是一個設(shè)計方案，尚未確定具體構(gòu)造。只有重載主軸，或因構(gòu)造上的原因，主軸不得不設(shè)計得很細時，才需考慮強度問題。 的主軸結(jié)構(gòu)（ 如圖 所示 ） CK6132 的主軸前端軸頸的直徑 75（ mm），后端軸頸的直徑 65（ mm），通孔直徑38(mm)。 后處理 —— ANSYS 提供兩種后處理方式， POST1 和 POST26。 KM=MN/=MNL/θ (N 有的資料推薦，車床 Dmax＝ 250mm 及 320mm 時，主軸前端靜剛度為 K＝100N/μ m ， Dmax=400mm 時， K=120N/μ m。事實上，切削力 P并不在 Y 向，而是與 y 向成夾角 β 。從 式和 式可知，對于一定的機床和一定的切削方式， Ky、 ζ 、 β 、φ 都是一定的。這樣的計算是近似的。主軸幾何模型的構(gòu)建，可以利用 ANSYS 提供的繪圖功能進行繪制，也可以使用 CAD 軟件所提供的強大繪圖功能進行圖形繪制。網(wǎng)格分得越細，計算結(jié)果的誤差越小，但所需要的計算時間也就越長。 圖 主軸組件力載荷步 2）施加載荷 第頁共 34 頁 圖 主軸組件轉(zhuǎn)矩載荷步 根據(jù)結(jié)構(gòu)的實際情況， ANSYS 可以在結(jié)構(gòu)上施加集中力、分 布力、重力及預(yù)應(yīng)力等。 第頁共 34 頁 ③結(jié)果評價 這一步驟包括 ANSYS 的全部后處理功能。工作尺寸為：直徑 d=， 長度L=， Dmax為最大回轉(zhuǎn)直徑。 圖 主軸組件在切深方向的變形 ② 主軸的第三工況 ,屬于精車加工 , 主軸組件在切深方向的變形，直接對工作形狀產(chǎn)生誤差，在該工況下，因主軸組件變形，工件上各點在切深方向的位移如圖 ，由此產(chǎn)生的直線度誤差為 10－ 5m。 Block Lanczos Method 對話框，在 StartFreq(initial shift)文本框中輸入 0，在 End Frequency 文本框中輸入 10000，單擊 OK 按鈕。 第頁共 34 頁 模態(tài)分析計算結(jié)果見表 SET TIME/FREQ LOAD STEP SUBSTEP CUMULATIVE 1 1 1 1 2 1 2 2 3 1 3 3 4 1 4 4 5 1 5 5 6 1 6 6 7 1 7 7 8 1 8 8 9 1 9 9 10 1 10 10 利用 ANSYS 對 CK6132 數(shù)控車床的主軸組 件和主軸進行了模態(tài)分析，得到以下結(jié)論： CK6132 數(shù)控車床的主軸組件的橫向振動的最小固有頻率為 ,主軸的固有頻率與主軸的質(zhì)量分布有關(guān)，當(dāng)主軸上無工件時的固有頻率頻率比主軸上夾持工件時高；提高主軸的支承剛度，可以提高主軸的固有頻率；車床在加工過程中使用尾座支撐工件，可顯著提高主軸組件的固有頻率。 (1)用 ANSYS分析計算出 CK6132數(shù)控車床在第一第二工況時主軸前端面的切削剛度分別為 107N/m、 107N/m。 CK6132 車床的 主傳動功率 .............................................. 錯誤 !未定義書簽。 第頁共 34 頁 致謝 本課題的研究和論文的撰寫工作都是在趙知辛老師的悉心指導(dǎo)下完成的，在論文撰寫過程中得到了趙老師的許多指導(dǎo)和鼓勵。主軸分級變速箱公比 φ Rdp，所以車床轉(zhuǎn)速在380950r/min 范圍類功率不足。 5．進行求解 從主菜單中 Main Menu:SolutionSolveCurrent LS 命令，打開一下確認對話框和狀態(tài)列表，要求查看列出的求解選項。 ANSYS 模態(tài)提取方法 ANSYS 提供了七種模態(tài)提取方法：它們分別是子空間法（ Subspace）、分塊 第頁共 34 頁 蘭索斯法（ Bock Lanczos）、 Power Dynamics 法、縮減法（ Reduced）、非對稱法（ Unsymmetric）、阻尼法（ Damped）和 QR 阻尼法（ QR Damped），前五種應(yīng)用于無阻尼自由振動，阻尼法和 QR 阻尼法允許在結(jié)構(gòu)中存在阻尼。對于某一型號車床，由此可確定出不不產(chǎn)生自激振動的最大（極限）切削寬度 blim。機床的主軸剛度則是主軸重要性能之一，它反映了機床抵抗外載荷的能力，對于高精度機床而言，主軸剛度對機床的性能影響則更為重要。 3）求解計算 ANSYS 提供了基于直接求解法的稀疏直接求 解器（ Sparse Direct Solver）和波前求解器（ the Frontal Solver）。分析 CK6132 主軸時，分成兩個載荷步進行求解，一個是力載荷步，另一個是轉(zhuǎn)矩載荷步， ANSYS 分析模型見圖 和圖 ，然后通過后處理中的載荷工況 (load case ）求和操作，得到主軸在彎曲、扭轉(zhuǎn)和壓縮狀態(tài)下的應(yīng)力和變形。 3)定義實常數(shù) 用實常數(shù)（ real constants）來定義分析模型的截面特性。主軸的第一工況雖然對主軸的作用力最大，但力的作用點較靠近主軸前支承，當(dāng)在運動和動力由高速齒輪（ Z=45）傳入，車床進行粗車加工時（切削用量：n=530r/min,ap=,f=，電機輸出功率 3kw），此工況稱為主軸第二工況。即取切削速度為50m/min，進給量為每轉(zhuǎn) 左右。因此， Y 向的剛度 Ky=Py/y=Pcosβ /y 即 Ky≥ Kabblimcosβ /2ζ (1+ζ ) () 車削外圓時 ,Py=Pcosβ cosφ 因此 Ky=Kabblimcosβ cosφ /2ζ (1+ζ ) () 以上式中 Kab—— 車銑時的切削系數(shù)（ N/μ m再生自激振動穩(wěn)定性的判別 式： 第頁共 34 頁 blim≤ 2Kζ (1+ζ )/Kab Kab稱為切削系數(shù) 這個公式說明，對于一定的機床，存在著一個不產(chǎn)生自激振動的最大（極限）切削寬度。例如有的資料推薦，在額定載荷作用下，主軸端部的變形，不得超過精度標準規(guī)定的主軸端部徑向跳動的 1/3。 機床主軸組件彎曲剛度 機床主軸組件（包括主軸、軸承和 Ф 60mmｘ 90mm 的 45 鋼工件）彎曲剛度 K，定義為使主軸前端產(chǎn)生單位位移，在位移方向所需施加的力，如圖 所示。 靜力分析中固定不變的載荷和響應(yīng)是一種假定，即假定載荷和結(jié)構(gòu)的響應(yīng)隨時間的變化非常緩慢。一般普通機床的主軸，可以采用 45 或 60優(yōu)質(zhì)碳鋼，調(diào)質(zhì)到 HB220— 250 左右。因此，后軸頸的直徑往往小于前軸頸。為了便于裝配，常把主軸作成階梯形。它隨載荷的增大而增大。此外又規(guī)定了 2 種輔助精度等級 SP（特殊精密級）和 UP（超精密級。其中 α ＝ 250的編號為 7000AC型屬特輕型；編號為 7190AC 型，屬超輕型。下面簡述幾種常用的數(shù)控機床主軸軸承的結(jié)構(gòu)特點和適用范圍。這時因滾動軸承可以用潤滑脂潤滑以 第頁共 34 頁 免漏油。如果主軸裝有滾動軸承，則支承處的耐磨性決定于滾動軸承，與軸頸無關(guān)。主軸的固有頻率應(yīng)遠大于激振力的頻率，使它不易發(fā)生共振。運動精度則還決定于主軸轉(zhuǎn)速、軸承的設(shè)計和性能以及主軸組件的平衡。所以主軸組件的工作性能，對加工質(zhì)量和機床生產(chǎn)率有重要影響。 結(jié)論 ①主軸電動機功率偏小。在這個區(qū)域內(nèi)，主軸的輸出扭矩應(yīng)隨轉(zhuǎn)速的降低而加大。 CK6132 數(shù)控車床采用雙速電機變頻高速 ,并帶有分級變速箱 . CK6132 數(shù)控車床主軸 ,前支承采用雙列圓柱滾子軸承 (D3182115),后支承采用圓錐滾子軸承(20xx113E)和推力軸承 (D8113)。隨著超高速切削機理、超硬耐磨長壽命刀具材料和磨料磨具、大功率高速電主軸、高加／減速度的進給運動部件以及高性能控制系統(tǒng)和防護裝置等一系列技術(shù)領(lǐng)域中關(guān)鍵技術(shù)的解決，新一代高速數(shù) 控機床將應(yīng)用于機械制造業(yè)。 1959 年，美國克耐杜列克公（ Keaney＆ Trecker）首次成功開發(fā)了加工中心（ machine center，簡稱 MC），這是一種有自動換刀裝置和回轉(zhuǎn)工作臺的數(shù)控機床，可以在一次裝夾中對工件的多個平面進行多工序的加工（包括鉆孔、锪孔、攻絲、鏜削、平面銑削、輪廓銑削等。 目前，國 內(nèi)外機床廠家已經(jīng)在機床設(shè)計中廣泛地應(yīng)用有限元分析方法，并在機床基礎(chǔ)件（如床身、立柱、框架等）和主軸部件等的靜、動態(tài)特性分析計算中取得成就。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀