數控機床主軸動態特性仿真分析
2020-2-10 來源： 廣西機電職業技術學院機械工程系 作者：張麗麗 ， 覃祖和 ， 黃華椿 等
【摘 要】 以某型號數控車床主軸為研究對象，建立有限元模型，利用ANSYS Workbench對其進行模態分析和諧響應分析，得到前6階振型圖及模態參數，為優化主軸結構奠定了基礎。
【關鍵詞】 主軸；ANSYS Workbench；模態分析；諧響應分析
數控機床作為“中國制造 2025”重點發展的五大工程，十大領域之一，直接影響著我國裝備制造業的發展。主軸是機床的心臟，其動態特性與機床性能、加工質量、工作效率息息相關。因此，研究機床主軸動態特性意義重大。
1、 有限元模型建立
1.1 主軸支撐結構
本文以某型號數控車床主軸為研究對象，其主軸系統支撐結構如圖1。
圖1 主軸支撐結構示意圖
前支撐為一對背靠背的角接觸球軸承和一個雙列圓柱滾子軸承，后支撐為一個雙列圓柱滾子軸承，軸承型號見表1。
表1 軸承型號
1.2 有限元模型
數控機床主軸系統結構復雜，但一些細小結構對分析結果影響甚微，可做如下簡化處理：（1）忽略軸體表面的倒角、圓角、螺紋孔、退刀槽等結構細節；（2）簡化軸承為彈性支撐，忽略軸承角剛度只取徑向剛度；（3）不考慮軸承載荷及轉速對軸承剛度的影響。用 UG11.0 軟件建立主軸三維模型，將該模型導入 ANSYSWorkbench 的 Geometrv 模塊，并添加 Modal（ANSYS）模塊[4]，為了提高有限元分析結果精度，選用六面體實體單元對主軸進行網格劃分，得到的主軸有限元模型如圖2所示。
圖2 主軸有限元模型
2 、材料屬性及約束
主軸材料為機械制造行業常用鋼種 40Cr 鋼，視其為各向同性的線彈性材料 。彈性模量 E = 2×1011Pa，泊松比 μ= 0. 27，密度 = 7. 85×103kg/m3。所有軸外節點均采用全約束。由于前軸承采用的是角接觸球軸承，在模型中要對該對軸承的彈簧-阻尼單元的軸上節點進行軸向約束。軸承剛度采用文獻[8]中介紹的經驗公式進行計算，得到各軸承徑向剛度如表2。
表2 軸承徑向剛度
3 、仿真結果分析
3.1 模態分析
運用 ANSYS Workbench 對所建立的有限元模型模進行計算分析后，得到主軸前6階陣型圖，如圖3。
圖3 前6階振型圖
根據主軸前6階陣型圖可以看出，主軸的3階頻率與4階頻率差別不大，5階頻率與6階頻率差別不大，可視為種根。根據主軸轉速 n 與頻率 f 的關系：n=60 f，可計算出主軸前6階頻率對應的臨界轉速，如表3所示。
表3 主軸固有頻率與轉速表
為了保證機床的加工精度和安全性，主軸最高工作轉速不能超過其一階臨界轉速的 75%[1]。由表3可知，一階臨界轉速為31277.4，該主軸的最高工作轉速為 6000r/min，遠低于一階臨界轉速，不會發生共振，該主軸是合理而安全的。
3.2 諧響應分析
在主軸前端安裝刀具處施加 1 000 N 的激振力模擬加工工況，分6步進行諧響應分析，結果如圖 4。
圖4 響相應分析
由圖 4 知，主軸在頻率為614Hz 處出現最大振動峰值，最大振幅值為8.9 mm，而在100Hz 頻率附近主軸的振幅很小，不會對主軸產生太大影響，可以保證工件的加工質量。
4、 結語
本文建立了某機床主軸的有限元模型，并用 ANSYS Work-bench 對主軸進行了模態分析和諧響應分析。獲得了該主軸前 6階振型圖及模態參數。該主軸最高工作轉速6000r/min，遠低于一階臨界轉速 31277.4，不會發生共振，可以保證該機床的加工質量，為機床優化設計提供參考。
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如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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