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数控机床主轴动态特性仿真分析
2020-2-10  来源: 广西机电职业技术学院机械工程系   作者:张丽丽 , 覃祖和 , 黄华椿 等

  
     【摘 要】 以某型号数控车床主轴为研究对象,建立有限元模型,利用ANSYS Workbench对其进行模态分析和谐响应分析,得到前6阶振型图及模态参数,为优化主轴结构奠定了基础。
  
     【关键词】 主轴;ANSYS Workbench;模态分析;谐响应分析

     数控机床作为“中国制造 2025”重点发展的五大工程,十大领域之一,直接影响着我国装备制造业的发展。主轴是机床的心脏,其动态特性与机床性能、加工质量、工作效率息息相关。因此,研究机床主轴动态特性意义重大。

     1、 有限元模型建立
  
     1.1 主轴支撑结构
  
    本文以某型号数控车床主轴为研究对象,其主轴系统支撑结构如图1。
 
 
 
图1 主轴支撑结构示意图

    前支撑为一对背靠背的角接触球轴承和一个双列圆柱滚子轴承,后支撑为一个双列圆柱滚子轴承,轴承型号见表1。
  
表1 轴承型号
 
 
 
    1.2 有限元模型
  
    数控机床主轴系统结构复杂,但一些细小结构对分析结果影响甚微,可做如下简化处理:(1)忽略轴体表面的倒角、圆角、螺纹孔、退刀槽等结构细节;(2)简化轴承为弹性支撑,忽略轴承角刚度只取径向刚度;(3)不考虑轴承载荷及转速对轴承刚度的影响。用 UG11.0 软件建立主轴三维模型,将该模型导入 ANSYSWorkbench 的 Geometrv 模块,并添加 Modal(ANSYS)模块[4],为了提高有限元分析结果精度,选用六面体实体单元对主轴进行网格划分,得到的主轴有限元模型如图2所示。

  
   
图2 主轴有限元模型
  
    2 、材料属性及约束
  
    主轴材料为机械制造行业常用钢种 40Cr 钢,视其为各向同性的线弹性材料 。弹性模量 E = 2×1011Pa,泊松比 μ= 0. 27,密度 = 7. 85×103kg/m3。所有轴外节点均采用全约束。由于前轴承采用的是角接触球轴承,在模型中要对该对轴承的弹簧-阻尼单元的轴上节点进行轴向约束。轴承刚度采用文献[8]中介绍的经验公式进行计算,得到各轴承径向刚度如表2。
  
表2 轴承径向刚度  
 
  

    3 、仿真结果分析
  
    3.1 模态分析
  
    运用 ANSYS Workbench 对所建立的有限元模型模进行计算分析后,得到主轴前6阶阵型图,如图3。
 
  

  图3 前6阶振型图


    根据主轴前6阶阵型图可以看出,主轴的3阶频率与4阶频率差别不大,5阶频率与6阶频率差别不大,可视为种根。根据主轴转速 n 与频率 f 的关系:n=60 f,可计算出主轴前6阶频率对应的临界转速,如表3所示。

表3 主轴固有频率与转速表
 
  

  
    为了保证机床的加工精度和安全性,主轴最高工作转速不能超过其一阶临界转速的 75%[1]。由表3可知,一阶临界转速为31277.4,该主轴的最高工作转速为 6000r/min,远低于一阶临界转速,不会发生共振,该主轴是合理而安全的。

    3.2 谐响应分析
   
    在主轴前端安装刀具处施加 1 000 N 的激振力模拟加工工况,分6步进行谐响应分析,结果如图 4。
   
图4 响相应分析
  
     由图 4 知,主轴在频率为614Hz 处出现最大振动峰值,最大振幅值为8.9 mm,而在100Hz 频率附近主轴的振幅很小,不会对主轴产生太大影响,可以保证工件的加工质量。

     4、 结语
  
     本文建立了某机床主轴的有限元模型,并用 ANSYS Work-bench 对主轴进行了模态分析和谐响应分析。获得了该主轴前 6阶振型图及模态参数。该主轴最高工作转速6000r/min,远低于一阶临界转速 31277.4,不会发生共振,可以保证该机床的加工质量,为机床优化设计提供参考。

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