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CK61200車床的關鍵結構設計及其主軸（zhóu）有限元分析

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

摘要：論文先（xiān）簡要介紹自行設計的CK61200係列(32t)重型數（shù）控車床的（de）關鍵結構，包括雙刀架及其控製係統和主軸，然後以該車床（chuáng）主軸為重（chóng）點研究對象，在考慮加工工件自身重力的工況下，基於有限元理論。運用ANSYS Workbench軟件對其進行靜態、模態分析。在產品設計階段，分析得出主軸的最大變形和最（zuì）大應力（lì），以此可（kě）以判斷剛度是否足夠；分（fèn）析得（dé）出（chū）其固有頻率（lǜ）和振型，以此可以避開共振區域。而上述求得的主軸動靜態參數均在合理範（fàn）圍內，驗（yàn）證了主軸設計的合理性，為後續進行機床的整（zhěng）機有（yǒu）限元分析及優（yōu）化（huà）設（shè）計奠定基礎。

關鍵詞：CK61200車（chē）床；關鍵結構（gòu）；有（yǒu）限元分析

0.引（yǐn）言

數控機床的高速化和高精（jīng）密化是其（qí）主要發展（zhǎn）趨勢之一。而主軸係統是數控機床（chuáng）的關鍵（jiàn）部件，其靜態（tài）、動態性能的好壞直接影響到機床（chuáng）的最（zuì）終加工質量和切削效率。隨著機床加工速度和精度的不斷提高，對其主軸部件也提出（chū）了更高的設計和加工製造要求。因此，國（guó）內外眾多研（yán）究機構和科研院所對主軸部件的動靜態特性展開了廣泛、深入的研究。

現階段對（duì）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（de）進行分析，很少考慮在加工過程中，加工工件自身的（de）重力對主軸的影響。這（zhè）種分析方法隻適用於小型機床。但是對（duì）於本研究中的重型機（jī）床而言，由於加工工件（jiàn）本身的質量很大，對主軸性（xìng）能（néng）的影響也非常大，故工件自身重力不能忽略。②多利（lì）用（yòng）經驗公式對（duì）主軸進行計算，其結果精度難以保（bǎo）證。而有限元法具有很多傳統方法無法比擬的優點，如精度高，適應性強以及計算格式規範（fàn）等，尤其在分析大（dà）型複雜零部件時，優勢更加（jiā）明顯（xiǎn）。利用有限元法可以進行靜力學分析和模態分析，如果能（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，那麽計算效率（lǜ）及（jí）結果精度都會大大地提剮引。

1.機床的關鍵結構設（shè）計

圖1為自行（háng）設（shè）計的CK61200雙刀架臥式重型（xíng）數（shù）控（kòng）車床的（de）結構簡圖，該車床的總質量約150t，其（qí）加工工件的最大質量可達60t，最大加工工件長度為6m，按照係譜的規定，最大長度可（kě）增加到8m，10m，14m三種規格。主要用來（lái）對（duì）不同材料的大直徑軸類零件、盤狀（zhuàng）和圓筒形零件進行（háng）高速車外圓、切槽（cáo）、切（qiē）斷、端麵、鏜孔等半精加工和精加工，也可用於大型軋輥類零件的高速加工。兩個（gè）數控刀架分別安裝（zhuāng）在兩個滑板（bǎn）上，縱向(z軸)滑板和橫向(x軸)滑板。在伺（sì）服電（diàn）機的驅動下，橫向滑板分別由兩個（gè）滾珠（zhū）絲杠帶動，縱向滑板則由齒輪齒條傳動。兩個刀（dāo）架均為四工位自動回轉刀架（jià），位於主軸的同一側，可同時進（jìn）行（háng）2軸或4軸聯動加工。

與普通機（jī）床相比，雙刀（dāo）架數控機床（chuáng）可多刀同時加工，能極大的提高（gāo）工作效率，但是，目前雙刀架數控（kòng）機床仍沒有得到廣泛的應用，其中（zhōng）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（zhì）係統”J，由於兩個刀架（jià）的數據（jù）和加（jiā）工（gōng）狀（zhuàng）態相互獨立，不能及時交換，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（yì）引起加工故障。本機床采用西門子840D雙通道、雙方式（shì）組控製係（xì）統，雙刀架係統連接簡圖如圖2所示。該係（xì）統配置了一個主軸模塊MSD和兩個雙軸（zhóu）驅動模塊FDD。每個刀架分別配置了一個手持單元，兩個（gè）伺服電機，共用一個OP010、一個PCU20和一個操作麵板MCP。PLC為該（gāi）係統（tǒng）自帶的（de）$7-300。通道1(第一方式組)包括：車（chē）床主軸SP、左刀架坐標軸Xl和Z1；通道2(第二方式組)包括：車床主軸sP、右刀架坐標軸（zhóu）胞和z2。由於共用（yòng）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，極大的提高了加工的效率和精（jīng）確性。另外，由（yóu）於（yú）采用了統一的標準，使得編程和操作更為簡潔方便。此外，為了保證該雙刀架機床（chuáng）的安（ān）全可靠性（xìng），還設置了（le）硬限位(數控機床的硬件（jiàn）限位)和軟限位(依據機床數（shù）據限定)雙重安全保護措施舊1。

CK61200機床主軸係統的結構如圖3所示。主軸（zhóu）部件可實現分段無級變速，設計的（de）轉速範（fàn）圍：500—10000r／min。該機床主軸采用雙支撐結構，均采用NSK高精度陶瓷（cí）球軸承。主軸（zhóu）前（qián）支撐采用雙（shuāng）圓柱滾子軸承來承受徑向力，可以提高機床主軸徑向剛度及主軸的回轉精度，同時還采用了背靠背（bèi）安裝的角接觸球軸承來承受（shòu）主（zhǔ）軸（zhóu）的軸向力以及降低主軸軸向竄動量，提高軸向剛度；後支撐選用帶內（nèi）錐孔的圓柱滾子軸承來承受主軸徑向力。

圖1 CK61200車床結構簡圖

圖2雙（shuāng）刀架係統連接（jiē）簡圖

圖（tú）3主軸結構簡圖

2.主軸所受載荷分析與計算

在加工過程中，主軸在（zài）低（dī）速傳動全功率（lǜ）的時候力學性能最差（chà），傳遞全功率的最低轉速稱（chēng）為計算轉速_7l。為分析主（zhǔ）軸（zhóu）的最大（dà）變形和應力，現（xiàn）計算在（zài）低速重載工況下的（de）受力參數。電（diàn）動機通過一係列的齒輪傳動將動力傳到（dào）主軸，帶動其轉動。查（chá）閱（yuè）相關技術資料後可知，CK61200機床計算轉速／7,。=150r／min電動機功率P=

3.主軸有限元模型的建立和（hé）邊界條（tiáo）件的設定

現以該車床主軸為分析對象（xiàng），采用三維實體造型軟件（jiàn）SolidWorks和有限（xiàn）元分析軟件ANSYS Workbench分別完成主軸有限元模型的建立（lì）和邊界條件的設（shè）定。先在SolidWorks中建（jiàn）立主軸的三維實體模（mó）型然（rán）後導入到ANSYS Workbench中，選用solid45單元類型，自由網格劃分完成對主軸三維模型的網格劃分（fèn），如圖4所示。材料選擇45鋼，其材料屬性：彈性模量2．09E+11N／m2，泊鬆比（bǐ）0．269．密度（dù）7．89E+03kg／m3．網格

劃（huá）分結束後，對主軸施加約束以及載荷。根據（jù）工況，在前支撐的節點上施加圓柱（zhù）麵約束限製菇，Y和z方向上的平（píng）移，在後支撐上約束Y和z方（fāng）向上的（de）平移，由此位移約束施加完畢．齒輪和（hé）主軸連接傳動部分的節點加載E和F，，主軸（zhóu）前端部施（shī）加切削力。根據機（jī）床設計參數，能加工的工（gōng）件最大質量為60t，根據此工況，在（zài）主軸的右端中心部位加載一個集中力，大小為（wéi）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（zhǔ）軸靜力（lì）學分析

主（zhǔ）軸的靜力分析主要包括強度和剛（gāng）度的計算。對主軸進行靜力學分析後，得到了其應力圖和（hé）變（biàn）形圖。主軸（zhóu）的應力雲圖如圖5所示，它反（fǎn）映了主軸上各個單

元的受力情況。從圖中（zhōng）可以看出，主軸上的最大應力為9．8x106Pa，小於材料45鋼（gāng）的許用應（yīng）力，最（zuì）大應（yīng）力出現在主軸與（yǔ）軸肩（jiān）端（duān）麵相交的截麵上，此處受力最大。主軸的（de）變形圖如圖6所示，它反映了主軸受力後的變形（xíng）情況。從圖中可以看出，最（zuì）大變形量（liàng）為1．247×10～mm，最大變形處位於右端端麵處。

根據上述分析得出的結果，主軸上受到的最大應力要小於45鋼材（cái）料的許用應力；主軸的最大變形量為1．247×10一mm，也小於機床設計手冊推薦的值，由此可（kě）以判斷機床主軸的強（qiáng）度和剛度是滿（mǎn）足工作要（yào）求的。

5.主軸模態分析

根據有限元理論，主軸的動力學（xué）方程如下：

結構的振動可以視（shì）為各階振型的線性疊（dié）加，而低階振型比高階振型對結構的（de）振動影響大，低階振型對結構的動態特性起決定作用，結（jié）構的振（zhèn）動特性分析通常取前5階¨1|，對（duì）主軸（zhóu）進行模態分析後，得（dé）到了其前4階模（mó）態分（fèn）析結果（guǒ），見圖7～圖10和表（biǎo）1。

表1主軸模態分析結果

表2主軸各階臨界轉速

主軸的最高工作轉速（sù）為（wéi）10000 r／min，遠遠小於臨界轉速。因（yīn）此該主軸設計合理，能有效地避開共振區域，保（bǎo）證主軸的（de）加工精度。

6.結論

雙刀架數控機（jī）床可多刀同時加工，能極大的（de）提高工作效率，本機床采用（yòng）的西門子840D雙通道、雙方（fāng）式組（zǔ）控製係（xì）統，由（yóu）於共用一個係統，很（hěn）好地（dì）解決了兩個刀架（jià）協調加工地難題，極大的提高了加（jiā）工的（de）效率和精確（què）性，另外，由（yóu）於采用了統一的標準，使得編（biān）程和操作更為簡潔方便（biàn）。此（cǐ）外，為了保證該雙（shuāng）刀架機床工作（zuò）時的安全可靠性，還設（shè）置了（le）硬（yìng）限位和軟限位雙重安全保護措施。以車床（chuáng）主軸（zhóu）為重點研究對象，利用（yòng）ANSYS Work—bench有限元分析軟件建立了主軸模型（xíng），對其（qí）進行了靜力分析和（hé）模態分析，在考慮（lǜ）工件重力的工況下，得到更精確的分析結果。驗證（zhèng）了主軸設計的合理性，在設計階（jiē）段（duàn）就（jiù）對機床（chuáng）的（de）性能作出預判，縮短產品的（de）研發周期（qī），提高效率，節省成本（běn），增加企業的市場（chǎng）競爭力。同時該機整機有限元分析及優化設計奠定了基礎。

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