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CK61200車床（chuáng）的關鍵結構設計及其主軸有限元分析

2017-2-16 來源（yuán）：江蘇大學機械工程學院作者：顧寄南，熊偉，陳功，劉家博

摘要：論文先簡要（yào）介紹自行設計的（de）CK61200係列(32t)重型數控車床的關鍵結構，包括（kuò）雙刀架及其控製係（xì）統和主軸，然後以（yǐ）該車（chē）床（chuáng）主軸（zhóu）為重點研究（jiū）對象，在考慮加工（gōng）工件（jiàn）自身重（chóng）力的工況下，基於有限元理（lǐ）論。運用ANSYS Workbench軟件對其進行（háng）靜態、模態分析。在產品設計（jì）階段（duàn），分析得出主（zhǔ）軸的最大（dà）變形和最大應力，以此可（kě）以判斷剛度是否足夠；分析得出其（qí）固有頻率和振型，以此可以避開共振（zhèn）區域。而上述求得的主軸動靜態參數均在合理範圍內，驗（yàn）證了主軸設計的（de）合（hé）理性，為後（hòu）續進行機床的整機有（yǒu）限元分析及優化（huà）設計奠定基礎。

關（guān）鍵詞：CK61200車床；關鍵結構；有限元（yuán）分析

0.引言

數控機床的高速化和高精密化是其主要發展趨勢之（zhī）一。而主軸係統是數控機床的關鍵部件，其靜態、動態性能的好（hǎo）壞（huài）直接影響到機床的最終加工質量（liàng）和切削效率。隨著機床加工速度和精度的（de）不斷提高，對其主軸部（bù）件也提出了更高的設計和加工製造要求。因此，國內外眾多研究機（jī）構和（hé）科研院所（suǒ）對主軸部件（jiàn）的動靜態特性展開（kāi）了廣泛、深入的研究。

現（xiàn）階段對機床主軸的結構力學分析研究主要有以下兩點不足之處：①將主軸孤立的進行分析，很少考慮在加（jiā）工過程中（zhōng），加工工件自身的重力對（duì）主軸的影響。這種分析方法隻（zhī）適用於小型機床。但是對於本研究中的重型機床而言，由於加工工（gōng）件本身的質量很大（dà），對主（zhǔ）軸性能的影響（xiǎng）也非常大，故工（gōng）件自（zì）身重力不能忽略。②多（duō）利（lì）用經驗公式對主軸（zhóu）進行計算，其結果精度難以保證。而有限元（yuán）法具有（yǒu）很多傳統方法無法比擬的優點，如（rú）精度高，適應性強以及計算格式規範等（děng），尤其在分析（xī）大型複雜零部件時，優勢更加明顯。利用（yòng）有（yǒu）限元法可以進（jìn）行靜力學分析和模態分析，如果（guǒ）能（néng）夠很好的簡化處理幾何模型，選擇合適的單元類型，以及控製好邊界條件（jiàn），那麽計算效率及結果精（jīng）度（dù）都會（huì）大大地提（tí）剮引。

1.機床的關鍵結構設計

圖1為自行設計的CK61200雙刀架臥式重型數控車床的結構簡圖，該車床的總（zǒng）質量約150t，其加工工（gōng）件的最大質量可達60t，最大加工工件長度為6m，按照係譜的規定，最大長（zhǎng）度可增（zēng）加到8m，10m，14m三（sān）種規格。主要用來對不同材料的大直徑軸類零（líng）件、盤狀和（hé）圓筒形零件進行高速車（chē）外圓、切槽（cáo）、切斷（duàn）、端麵、鏜孔（kǒng）等（děng）半精加工和精加工，也可用於大（dà）型軋輥類零（líng）件的高速加工。兩個（gè）數控刀架分別安裝（zhuāng）在兩個滑板（bǎn）上，縱向（xiàng）(z軸)滑板和橫向（xiàng）(x軸（zhóu）)滑（huá）板。在伺服電機的驅動下，橫向滑板分別由兩（liǎng）個滾珠絲杠帶動，縱（zòng）向滑板則由齒輪齒（chǐ）條傳動。兩個刀架均為（wéi）四工位自動回轉刀架，位於主軸的同一側，可同時進行2軸或4軸聯動加工。

與普通機床相比，雙刀架數控機床可多刀同時加工，能極大的提高工作效率，但是，目前雙（shuāng）刀（dāo）架數控機床仍沒有得到廣泛的（de）應用，其中一個主要的原因是傳統的雙刀架數控機床大多采用兩個獨立的控製係統”J，由於兩個刀架的數據和加工（gōng）狀態相（xiàng）互獨立，不能及時交（jiāo）換，因而兩刀不能進行相互協調，零件的加工精度很難得到保證，也容易引起加工故障。本機床采用西門子840D雙通道、雙（shuāng）方式組（zǔ）控製係統，雙刀架係統連（lián）接簡圖如圖（tú）2所示。該係統配置了一（yī）個主軸模塊MSD和兩（liǎng）個雙軸（zhóu）驅動模塊（kuài）FDD。每個刀架分別配（pèi）置了一（yī）個手持單元，兩個伺服電機，共用一個OP010、一個PCU20和一個（gè）操作麵板（bǎn）MCP。PLC為該係統自帶的$7-300。通道1(第一方式組)包（bāo）括：車（chē）床主軸SP、左刀（dāo）架（jià）坐標（biāo）軸Xl和Z1；通道2(第二方式組)包括：車床主軸sP、右刀架坐標軸胞和z2。由於共用一個係統。上述問題得到了很好的解決，兩個刀架可以相互協調加工，極大的提（tí）高了加工的效率和精確性。另外，由於采用了統（tǒng）一（yī）的標（biāo）準，使得編程和操作（zuò）更為簡潔方便。此外，為了保（bǎo）證該雙刀架機床的安全可靠性，還（hái）設置了硬限位(數控機（jī）床的硬件限位)和軟限位(依據機床數據限定)雙重（chóng）安全保護措施舊1。

CK61200機床主軸係統的結構如圖3所示。主軸部件可實（shí）現分段無級變速，設計的轉速範圍：500—10000r／min。該機床主軸采用雙（shuāng）支撐結構（gòu），均采用NSK高（gāo）精度陶瓷球軸承。主軸前支撐采用雙圓柱滾子軸承來承受徑向力，可以提高機床主軸徑（jìng）向剛度及主軸的回轉精度（dù），同時還采用了背靠背安裝的角接（jiē）觸球軸（zhóu）承來承受主軸的軸向力以及降低主軸（zhóu）軸向竄動量，提高軸向剛度；後（hòu）支（zhī）撐選用帶內錐（zhuī）孔的圓柱滾子軸承來承（chéng）受主軸徑向力。

圖1 CK61200車（chē）床結構簡圖

圖2雙刀（dāo）架係統（tǒng）連（lián）接簡圖

圖3主軸結構簡（jiǎn）圖

2.主（zhǔ）軸所受載荷分析與計算

在加工過程中，主軸在低速傳動（dòng）全功率的時候力學性能最差，傳遞全功率（lǜ）的最低轉速稱為計算轉速_7l。為分析主軸（zhóu）的最大變形和應（yīng）力，現計算在低速重（chóng）載工況下的受（shòu）力參數。電動機通過一（yī）係列的齒輪傳動（dòng）將動力傳到主軸，帶動其轉動。查閱相關技術資（zī）料後可知，CK61200機床計（jì）算（suàn）轉速／7,。=150r／min電動機功率P=

3.主軸有限元模型的建立和邊界（jiè）條件的設定

現以該車床主軸為（wéi）分析對象，采用（yòng）三維實體造型軟件SolidWorks和有限元分析軟件ANSYS Workbench分別完成主軸有限元模型的建立和（hé）邊界條件的設定。先在SolidWorks中建（jiàn）立（lì）主（zhǔ）軸的三維實體模型然後導入到ANSYS Workbench中，選用solid45單元類型，自由網格劃分完（wán）成對主軸三維模型的網格劃分，如圖（tú）4所示。材料選擇45鋼，其材（cái）料屬性（xìng）：彈性模量2．09E+11N／m2，泊鬆比（bǐ）0．269．密度7．89E+03kg／m3．網格

劃分結束後，對主（zhǔ）軸施加約束以及載（zǎi）荷。根據工況，在前支撐的節點上施加圓柱麵約束限製菇，Y和z方（fāng）向上（shàng）的平移，在後支撐上約束Y和z方向上的平移，由此位移約（yuē）束施（shī）加完畢．齒（chǐ）輪和主軸連接傳動部分的（de）節（jiē）點加載E和（hé）F，，主軸前端（duān）部施加切（qiē）削力。根據機床設計參數，能（néng）加工的工件最大質（zhì）量為60t，根據此工況，在（zài）主軸的右端中心部位加載（zǎi）一個集中力，大小為最大工件重力的一半。這樣整個主軸的載荷設置結（jié）束。

4.主軸靜力學分析

主軸的靜力分析主要包括強（qiáng）度和剛度的計算。對主軸進行靜力學分析後，得到了其應力圖和變（biàn）形（xíng）圖。主軸的應（yīng）力雲圖如（rú）圖5所示，它反（fǎn）映了主（zhǔ）軸上各（gè）個單

元的受力情況。從圖中可以看出，主軸上的最大應力為9．8x106Pa，小於材料（liào）45鋼的（de）許用應力，最大應力出現在主軸與軸肩端（duān）麵相交的截麵上，此處受力（lì）最大。主軸（zhóu）的變形圖如圖6所（suǒ）示，它反映了主軸受力後的變形情況（kuàng）。從圖中可以看出，最大變形量為1．247×10～mm，最大變形處位於（yú）右端端麵處。

根據上述分析得出的結果，主軸上受到的最大（dà）應力要小於45鋼材料的許用應力；主軸的最大變形量為1．247×10一mm，也（yě）小於機床設計手冊推薦的（de）值，由此可以判斷機床主軸的強度和剛度（dù）是滿足工作要求的。

5.主軸模態（tài）分析

根據有限（xiàn）元理論，主軸（zhóu）的動力學方程如下：

結（jié）構的振動（dòng）可以視為各階振型的線性（xìng）疊加，而低階（jiē）振型比高階振型對結構的振（zhèn）動影響（xiǎng）大，低階振型對結構的動態特性起決定（dìng）作用（yòng），結（jié）構的振動特性分析通常取前5階¨1|，對主軸進行模態分析後，得（dé）到了其前4階模態分析結果，見圖7～圖10和表1。

表1主軸模態分析結果

表2主（zhǔ）軸各階臨界轉速

主軸的最高工作轉（zhuǎn）速（sù）為10000 r／min，遠遠小於臨界轉（zhuǎn）速。因（yīn）此該主軸設計（jì）合理，能有效地避開共振區域，保證主軸的加工精度。

6.結論

雙刀架數控機床可多刀同時加（jiā）工，能極大的提高工作效率，本機（jī）床采用的（de）西門子840D雙（shuāng）通（tōng）道、雙（shuāng）方式組控製係統，由於共用一個（gè）係統，很好（hǎo）地解決了兩（liǎng）個刀架協調加工地難（nán）題，極大的提高了（le）加工的效率和精確性，另（lìng）外，由（yóu）於采用（yòng）了統一（yī）的標準，使得編程和操作更為簡潔（jié）方便。此（cǐ）外，為了（le）保證該雙刀架機床工作時的安全可靠性，還設置了硬限位和軟限位雙重安（ān）全保護措施。以車床主軸為重點研（yán）究對象，利用ANSYS Work—bench有限元分析（xī）軟件建立了主軸模（mó）型（xíng），對其進行了靜力分析和模（mó）態分析，在考慮工件重力的工況下，得到更精確的分析結（jié）果。驗證了主軸設計的合理性，在設（shè）計階段就對機床的性（xìng）能作出預判，縮短產品的研發周期，提高效率，節省成本（běn），增加企業的市場競爭力。同時（shí）該機（jī）整（zhěng）機有限元分析及優化設計奠定了基（jī）礎。

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