【文章內(nèi)容簡介】 r of Modes to Extract：機床結(jié)構(gòu)是個連續(xù)體，質(zhì)量和彈性都是連續(xù)分布的，所以應具有無窮多個自由度，也就是無窮多階模態(tài)。但是該機床的設計最高工作轉(zhuǎn)速為1400 r／min，根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速，,又由于主軸上齒輪齒數(shù)為28，,，一般不可能發(fā)生共振，對于加工質(zhì)量的影響不大，所以只需研究固有頻率較小的模態(tài)，即機床的低階模態(tài)。設置提取模態(tài)階數(shù)為15階。 施加邊界條件并求解圖7 復合面導軌首先，C6150主軸箱體與底座的固定采用的是復合面導軌，如上圖所示，左側(cè)V形面和底面V形導軌嚙合，限制了V形面即箱體的移動，底面V形導軌下側(cè)裝有螺栓，使主軸箱體與底座固定。在典型的模態(tài)分析中唯一有效的“載荷”是零位移約束，如果在某個DOF處指定了一個非零位移約束，則以零位移約束替代DOF處的設置。可以施加除位移約束之外的其他載荷，但它們將被忽略。主軸箱是通過復合面導軌固定在底座上，再由箱體底面的螺栓來實現(xiàn)對主軸箱體的固定，在有限元模型中，把主軸箱的邊界約束簡化為約束與固定螺栓位置相對應的節(jié)點的各方向的自由度，由于主軸箱與底座相固定，通過復合面導軌與底座相接觸，并以螺栓固定以實現(xiàn)全約束。具體步驟是：GUI MainMenuSolutionDefineLoadsApplystructuraldisplacementOn Areas,選擇箱體底面兩個螺栓的內(nèi)表面，選擇DOF全約束，點擊OK。然后依次點擊GUI Main Menu Solution SolveCurrent LS開始求解。 查看結(jié)果模態(tài)分析結(jié)果一般在通用后處理器(POSTl)中查看：(1)列出各階固有頻率GUI． Main MenuGeneral PostprocResults Summary。(2)顯示模態(tài)振型GUI．Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsDeformed Shapes。(3)顯示節(jié)點位移或單元應力分布GUI：Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour Plot——NodalSolu／Element Solu。 模態(tài)計算結(jié)果主軸箱結(jié)構(gòu)前十五階固有頻率、振幅及振型描述（1）各階固有頻率如下表表1 各階固有頻率表階次固有頻率/Hz振型描述1沿Y軸方向擺動，左側(cè)面連接部分振型明顯2沿Z軸方向擺動，左側(cè)面連接部分振型明顯3沿X軸方向擺動，右側(cè)面連接部分和底面凸臺處振型明顯4內(nèi)支撐板沿Y方向左右擺動，兩支撐板頂部振型明顯5箱體扭轉(zhuǎn)，左側(cè)面連接部分振型明顯6內(nèi)支撐板沿X方向左右擺動，兩支撐板頂部振型明顯7沿Y方向彎曲，后側(cè)面中段振型明顯8沿Y方向彎曲，后側(cè)面中段振型明顯9沿Y方向彎曲，前側(cè)面中段振型明顯10箱體扭轉(zhuǎn)，左側(cè)面和后側(cè)面中段振型明顯11內(nèi)支撐板沿Y方向左右擺動，支撐板頂部振型明顯12沿X方向彎曲，左側(cè)面和前側(cè)面中段振型明顯13箱體扭轉(zhuǎn)，后側(cè)面中段振型明顯14內(nèi)支撐板沿Y方向左右擺動，支撐板頂部振型明顯15內(nèi)支撐板沿Y方向左右擺動，支撐板頂部振型明顯（2）各階振型如下圖 1階振型 2階振型 3階振型 4階振型 5階振型 6階振型 7階振型 8階振型 9階振型 10階振型 11階振型 12階振型 13階振型 14階振型 15階振型圖8 各階振型圖（3）各階總變形如下圖 1階總變形 2階總變形 3階總變形 4階總變形 5階總變形 6階總變形 7階總變形 8階總變形 9階總變形 10階總變形 11階總變形 12階總變形 13階總變形 14階總變形 15階總變形圖9 各階總變形圖 模態(tài)分析結(jié)果(1) 從前15階固有頻率可以看出，前三階頻率都非常小，均在100以下，,而車床主軸轉(zhuǎn)速范圍在361400r/min，根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速及主軸上齒輪的最大齒數(shù)為28，,所以在12階模態(tài)以下時，車床主軸可能與箱體發(fā)生共振。對于頻率較低的模態(tài)振型，它主要影響零件的粗加工，這是因為粗加工時主軸轉(zhuǎn)速低，頻率低，刀具進給量大，當?shù)碗A振型的固有頻率和粗加工的頻率相等時，容易發(fā)生共振，引起箱體振動和變形，所以我們應該通過分析低頻率的振型來研究箱體振動對粗加工的影響，盡量避免發(fā)生共振。對于頻率高的模態(tài)振型，它主要影響零件的精加工，這是因為精加工時主軸轉(zhuǎn)速高，頻率高，刀具進給量小，當高階振型的固有頻率和精加工的頻率相等時，容易發(fā)生共振，引起箱體振動和變形，精加工主要影響表面粗糙度、加工表面質(zhì)量、加工精度等，所以我們應該通過分析高頻率的振型來研究箱體振動對精加工的影響，盡量避免發(fā)生共振。(2) 通過各階振型圖可以發(fā)現(xiàn)，箱體的振型主要表現(xiàn)為擺動和扭轉(zhuǎn)，擺動大都發(fā)生在低階低頻振型下，而扭轉(zhuǎn)大都發(fā)生在高階高頻振型下，而箱體的扭轉(zhuǎn)則會引起箱體的變形，進而引起主軸等箱體內(nèi)其它軸的變形，同時由箱體引起的振動會導致加工表面的振動，使表面粗糙度增大；而且箱體的變形還會使工件和刀具之間產(chǎn)生相對位移，影響正常的運動軌跡，這樣就影響了零件的加工表面質(zhì)量和加工精度，另外箱體扭轉(zhuǎn)引起的變形還會降低刀具的使用壽命。(3) 通過各階總變形圖可以看出，在大多數(shù)階次下，箱體中間支撐板和箱體側(cè)面的振幅比較大，且變形較為嚴重，從中看出此處是主軸箱的薄弱環(huán)節(jié)，后續(xù)優(yōu)化部分應考慮此處。最大振幅出現(xiàn)在第4階和第6階模態(tài)里，同樣是出現(xiàn)在兩個中間支撐板處，優(yōu)化時考慮增加支撐板厚度，以降低振幅。其次的振幅出現(xiàn)在第12階模態(tài)里，也出現(xiàn)在第一個支撐板和箱體側(cè)面上。綜上，通過對15階固有頻率、固有振型以及各階總變形我們得到：箱體的內(nèi)支撐板的變形量最大，需要引起重視；其次是箱體的側(cè)壁在5階以后發(fā)生扭轉(zhuǎn)，在后續(xù)的優(yōu)化設計中需要考慮。 C6150主軸箱模態(tài)分析小結(jié)通過ANSYS軟件采用有限元分析方法，對主軸箱箱體結(jié)構(gòu)進行了模態(tài)分析，獲得了主軸箱箱體結(jié)構(gòu)的前15階固有頻率和振型，為后續(xù)的優(yōu)化設計作了準備。通過對振型的分析，找到了箱體的薄弱環(huán)節(jié)和應該改進的地方，以此來改進箱體結(jié)構(gòu)減小加工過程中箱體的振動，提高機床的加工精度和零件的加工質(zhì)量。 車床主軸箱體優(yōu)化 改進方案通過箱體的各階陣型的分析可知，前3階陣型為平面內(nèi)的整體轉(zhuǎn)動；4階、11階及14階、15階振型主要表現(xiàn)為支撐板的左右擺動，在加工過程中，箱體內(nèi)支撐板的明顯擺動會影響主軸的直線度和齒輪嚙合時傳動的穩(wěn)定性，導致加工零件半徑等尺寸精度降低，因此需要進行優(yōu)化設計； 5階后箱體出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)，需要引起足夠的注意，因為箱體的扭轉(zhuǎn)則會引起箱體的變形，進而引起主軸等箱體內(nèi)其它軸的變形，同時由箱體引起的振動會導致加工表面的振動，使表面粗糙度增大；箱體的扭轉(zhuǎn)會影響箱內(nèi)齒輪的嚙合，影響傳動的穩(wěn)定性高，也會嚴重影響箱體主軸相對箱體的位置精度，會導致零件的加工半徑不一致，這些進而都會影響加工精度；而且箱體的變形還會使工件和刀具之間產(chǎn)生相對位移，影響正常的運動軌跡，這樣就影響了零件的加工表面質(zhì)量。8到15階表現(xiàn)出箱體底面、側(cè)面和側(cè)面都有劇烈的振動，可以通過增加箱體側(cè)面等的厚度來提高，或者在箱體內(nèi)加內(nèi)筋，以提高箱體的剛度。綜上可得：對于前幾階出現(xiàn)的箱體的平動和轉(zhuǎn)動，可通過在右側(cè)箱體底面增加螺栓以加強主軸箱與床身的穩(wěn)定，保證主軸箱在車床上的位置。對于第6階出現(xiàn)的箱體內(nèi)支撐板的擺動在設計時應考慮增加支撐板的厚度。對于第7階以后出現(xiàn)的明顯的扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，可通過增加內(nèi)筋和箱體側(cè)壁的厚度來提高振動特性。 改進后結(jié)果 圖10 優(yōu)化后的箱體圖形優(yōu)化后的各階總變形如下圖： 1階總變形 2階總變形 3階總變形 4階總變形 5階總變形 6階總變形 7階總變形 8階總變形 9階總變形 10階總變形 11階總變形 12階總變形 13階總變形 14階總變形15階總變形圖11 優(yōu)化后的各階總變形通過分析優(yōu)化后箱體的振型及各階總變形可得：，所以箱體的整體變形量有所改善且各階振型中的最大變形量均有所減小。對于第4階和第6階出現(xiàn)的箱體內(nèi)支撐板的嚴重變形，在優(yōu)化后變形量減小了；其次5階后箱體出現(xiàn)的扭轉(zhuǎn)變形也有所改善；對于扭轉(zhuǎn)變形最厲害的7階，在優(yōu)化后，箱體側(cè)壁的變形量明顯減小，且扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象有所減弱。對于優(yōu)化后的箱體更有利于減小箱體振動，提高加工精度和零件質(zhì)量。3 C6150主軸箱體的加工工藝設計 主軸箱箱體的機構(gòu)特點及技術(shù)條件分析車床主軸箱箱體是車床幾個箱體中精度要求最高的一個，它的加工質(zhì)量，對機床的工作精度和工作性能，對裝配勞動量都有很大的影響；它又是主軸箱部件裝配中的一個基礎件，因此主軸箱箱體的加工質(zhì)量就成為車床制造中很重要的一個環(huán)節(jié)。主軸箱體上有與床身導軌面結(jié)合的平面、裝手柄的平面及其他平面，以及一些孔系和端面。大多數(shù)箱體內(nèi)部還有隔板，而且體積小，在一般情況下它的剛性是比較高的。下圖為C6150箱體的簡圖，主要技術(shù)條件有：（1）軸孔精度 軸孔的尺寸精度和形狀精度對軸承的配合質(zhì)量有很大的關(guān)系，因而也對軸的回轉(zhuǎn)精度、傳動平穩(wěn)性、噪聲、軸承壽命有重大影響。主軸箱體軸孔的公差、粗糙度、形狀精度都要求很高，尤其以主軸孔要求最高。其尺寸精度公差為6級，其余軸孔為標準公差67級。軸孔的形狀精度，凡未作特殊規(guī)定的，一般在其尺寸公差范圍之內(nèi)，對主軸孔常常單獨規(guī)定圓度和素線平行度的公差，一般不超過孔徑尺寸公差之半。如：軸線IVIV上的主軸孔Φ140JΦ160J（2）軸孔的位置精度 同一軸心線上的軸孔的同軸度和端面對軸心線的垂直度誤差，會使軸承歪斜，影響軸的回轉(zhuǎn)精度和軸承的壽命。軸心線間的平行度誤差會影響軸上的齒輪的嚙合質(zhì)量。軸心線之間的距離偏差對漸開線齒輪來講影響較小，但要防止距離過小，使齒輪嚙合時沒有齒側(cè)間隙，甚至咬死。此車床主軸箱箱體通過地面D和導軌面F和床身連接，是主軸箱體零件的裝配基準，它們決定了主軸軸心線對床身導軌的位置關(guān)系。主軸軸心線對裝配基準的距離偏差和平行度誤差，與裝配時的刮研勞動量有關(guān)，零件圖中規(guī)定：1）1軸軸孔的軸線對基準K、。2）D軸軸孔的軸線對基準 ；。3）Ⅲ；。4）Ⅳ；Ⅳ。5）Ⅳ。6）Ⅳ。7）Ⅳ軸軸孔的軸線對基準 。8）V軸軸孔的軸線對基準Q、。9）Ⅵ。（3）平面度精度 裝配基面的平面度不但影響主軸箱與車床的接觸質(zhì)量，而且在加工過程中作為定位基面時更直接影響軸孔的加工精度。因此規(guī)定底面D和導向面E必須平直，并采用涂色法檢驗它們和標準平面的接觸面積，另外還規(guī)定了D面和F面的垂直度公差。對于主軸箱的頂面 B也有平面度的要求。這里有兩種情況：一種情況是頂面的平行度只是為了保證頂面和主軸箱蓋的密封性，以防止在工作時潤滑油漏出；另一種情況是在加工過程中以頂面作為統(tǒng)一基準，這時對頂面的平行度的要求就更高一些。 （4）表面粗糙度 主軸孔的粗糙度Ra≤，其余軸孔的粗糙度Ra≤，裝配基面和定位表面的粗糙度Ra≤（刮研加工），其他平面的粗糙度Ra≤?？梢?，主軸箱箱體的主要加工表面是平面和孔。由于箱體的尺寸不大、剛性較好，所以平面加工一般沒有困難。只是由于要求盡可能減少裝配時的刮研勞動量，因此對平面加工的精度和粗糙度要求較高。在加工軸孔時，因為刀具和輔助工具的尺寸受到孔徑尺寸的限制，不能過大，因而容易變形，影響加工質(zhì)量。而且箱體內(nèi)的隔板上也有精度要求高的孔。在加工這些孔時，要求刀具懸伸更長，因此刀桿更容易變形，精度更難保證。此外，任何軸孔的加工不但要保證軸孔本身的精度和同軸度，而且還要照顧它和其他軸孔或平面的位置精度。所有這些情況都說明孔系加工比較不容易達到精度，這就是主軸箱箱體加工中的關(guān)鍵。C6150主軸箱體零件圖如下圖所示：圖12 C6150主軸箱體零件圖圖13 C6150車床主軸箱箱體展開圖 毛坯分析零件材料為HT200鑄件。根據(jù)制造廠現(xiàn)有的毛坯生產(chǎn)條件和主軸箱箱體零件屬中批生產(chǎn)類型的生產(chǎn)綱領(lǐng)，因而采用鑄造的方法生產(chǎn)毛坯。這種方法獲得的毛坯精度較低