車銑複合加工（gōng）中心（xīn）主軸結構的有限元分析-螺紋加（jiā）工機（jī）床網-數控（kòng）機床市（shì）場網

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車銑複合加工中心主軸結構的（de）有限元分析

2022-5-30 來源：齊齊哈（hā）爾工程學院（yuàn）作者（zhě）：謝偉東

摘（zhāi）要：　車銑複合加工中心主軸（zhóu）是係統結構中的關鍵性零件，機（jī）床在運行過程（chéng）中會受到不同程度的切削（xuē）力，想要防止（zhǐ）機床變形（xíng）問題的發生率，需要通過科學的結構設置保證（zhèng）機床的剛度，當承受較大的切削力時，依然保有較高的加工（gōng）精度，降低自激振動問題的發生（shēng）。采用有限元分（fèn）析技（jì）術創建係統模型，通過車銑複合（hé）加工（gōng）中心主（zhǔ）軸結構的設計調整（zhěng），對主軸剛度進（jìn）行（háng）分析驗算，車銑（xǐ）複合加工中心主要包（bāo）括（kuò）單元技術、機床整機技術，其中主（zhǔ）軸單元屬於單元技術的重要環節。車銑複合加工中心主（zhǔ）軸（電主軸（zhóu））結構的有限元分析，主要研究（jiū）目的是提高機床（chuáng）運行的穩定性，保證加工精度和主軸剛度。

關鍵詞：車銑複合加工中心；主軸結（jié）構；有限元分析

０引言

車銑複合加工中心主軸結構包括（kuò）：主軸電（diàn）機（jī）、主軸和軸承等部分，主軸作為機床的（de）核心（xīn）部件，其（qí）結構性能對在整台機床（chuáng）的（de）運行穩定性有著重要影響，想要全麵提高切削速度、保證機械加工精度，就需要建立有限元分析模型，分析主軸結構性能。主軸結構設計中的技術手段相互製約，解（jiě）決速度與（yǔ）剛度之（zhī）間的矛（máo）盾，借助有（yǒu）限元分析法的便（biàn）利性（xìng）和靈（líng）活性，對車銑複合加（jiā）工主軸結構進行分（fèn）析，通常（cháng）情（qíng）況（kuàng）下安裝兩個主軸，實現在不停車狀態下的自動對接轉移，自動化（huà）完成絕大部分的工件（jiàn）加工工作，提高加工（gōng）效率。

１、車銑複合加工中心（xīn）主軸結構

１．１車銑複合加工（gōng）中心主軸結構

結合軸（zhóu）承結構的主要特點，車銑複合加（jiā）工中心主軸通常隻存在（zài）徑向剛度，簡化處（chù）理後發現徑向壓（yā）縮彈簧。車銑複合加工中心主軸（zhóu）簡化後的力學模型分析過程中，可以有（yǒu）選擇的忽略軸承剛度與轉速、負荷之間的關係，假設軸（zhóu）承的剛度為標準常（cháng）數進行後續的有限元（yuán）分析工作，這（zhè）一過程中省略了工（gōng）作人員的計算量（liàng），結合主（zhǔ）軸結構類型，主要采（cǎi）用滾動軸承（chéng），省略阻力（lì）因素分析並不會對最終的（de）分（fèn）析結果產生影響。如圖1所示，簡化主軸剛度細節部位進行整體顯示。

１．１．１軸殼

在進行主軸結構分析的過程中，軸殼作為主要部件之間，其尺寸與位置會對主軸設計精度產（chǎn）生影響，通過安裝過程的（de）查看，設計人員（yuán）將軸（zhóu）承座孔安裝到軸（zhóu）殼（ké）上，在（zài）進行電機定子安裝的（de）過程中，需要保持一端處於開放狀態。一些大型的（de）主軸結構中，為了安裝便利，會在軸殼兩端設（shè）計的過程中采用開放型設計原理，提高主軸（zhóu）的運（yùn）行速（sù）度，保證運（yùn）行功率，其中轉子直徑要高於軸承外徑，實現對機床（chuáng）裝配精度的控製，後軸承安裝區域提供（gòng）無間隙配（pèi）合。

圖１　車銑複合加工中心主軸簡化後的力學（xué）模型

１．１．２轉軸

轉軸屬於主軸的重要回轉體，轉軸的實際精度會對主軸的整體精度產生影響，采用的轉軸對形位公差、尺寸精度（dù）有著（zhe）高質（zhì）量要（yào）求，轉軸在高速運轉（zhuǎn）的過程中，受到偏心質量的影響產生不規則振（zhèn）動（dòng），無法保（bǎo）證機床動態（tài）性能的穩定性，需要借（jiè）助有（yǒu）限元測試（shì）轉軸的（de）動平衡，在測試的過程中一部分轉軸上的零件要同時接受動平衡測試。

１．１．３軸承

精密軸承作為主軸的核心支（zhī）承部件，其尺寸、位（wèi）置和功能會對主軸最高（gāo）轉（zhuǎn）速產生影響，因此在主軸結構設計的過程中，需要選擇高速性能、動負（fù）荷承載強以及（jí）發熱量小的精度軸承，其中（zhōng）常見的類型有：動靜壓軸（zhóu）承、磁浮軸承等。

１．２主軸電機有限元分析

１．２．１電機的有限元仿真

在進行主軸電機有限元分析的過程中，采用（yòng）仿真處理的方式，主要的計算對象是電路、磁路，以此為基礎，通過Ａｎｓｏｆｔ中的ＲＭ　ｘｐｒｔ模塊進行電機結構選擇，參與（yǔ）到電磁設計分析（xī）的過程（chéng）中，計算軟件仿真建模數據。將已經完成的電機（jī）模型信息輸入到（dào）二維瞬（shùn）態場。加載幾何模型的同時進行模型材料定義，分別設定電（diàn）機主從邊界條件，采用（yòng）網格劃分的形（xíng）式得到（dào）各（gè）項信息，轉子受力過程（chéng）中對氣隙網格具（jù）有一（yī）定的敏感性，因此，在得到的最小氣隙處分（fèn）別設置（zhì）了多層網格，計（jì）算出主軸電機（jī）電磁轉矩，了（le）解主軸（zhóu）電機的電流（liú）變化流程。

１．２．２二維電機瞬態分（fèn）析

將（jiāng）已經構建完成的仿（fǎng）真（zhēn）模型輸入到Ｍａｘｗｅｌｌ２Ｄ瞬態場，利用數據分析軟件定義（yì）電機內部的主材（cái）料、設定精準度的邊界條（tiáo）件，合理添加（jiā）激勵源（yuán），做好網格劃分處理。如圖２所示，計算磁鏈在經過轉子齒麵時的疏密程度，分析轉子齒部尺寸對最終分析結果的影（yǐng）響，並結（jié）合呈現的數據效果圖示，得出轉（zhuǎn）子電阻與轉子齒部尺寸的關係，保證漏抗與加工速度相契合。在主軸電機結（jié）構設計的過程中滿足機床運行速度範圍內的功率、扭矩需求，全麵提高轉子旋轉階段強度（dù）。

圖２　雙層繞組

１．３主軸電機繞組（zǔ）設計

主軸電機的（de）定子繞組為（wéi）勵磁繞組，在主軸結構設計的過程中電機繞組設計質量會影響到主軸動力性能，車銑複合（hé）加工中心主軸電機繞組設（shè）計過程中采用單層（céng）繞組，需要（yào）在每個槽放置線圈邊。單層繞組的線圈槽數量較（jiào）少，實現（xiàn）對槽麵（miàn）積的綜合（hé）利用，繞組的斷口接線長度有限，無（wú）法隨意進行節距調（diào）整（zhěng），繞（rào）組的端部交疊安（ān）裝，具有較高的穩（wěn）定性（xìng）。在進行繞組類型選擇的過程中，要結合（hé）主軸結構（gòu）特（tè）點進行綜合考量，車（chē）銑複合加工中心主軸的定子槽較淺，主要采用雙層繞組，在嵌線階段會遇到很多問（wèn）題，繞組的散熱性能較差，但（dàn）雙層繞組的（de）應用能夠降低高次諧波損耗。

１．４電機定子繞（rào）組的有限元（yuán）分析

１．４．１有限元模型的建立

車銑複合加工中心主軸定子繞組為三相１２／８極結構ＳＩＴＭ，結合ＳＲＭ定轉子外徑與內（nèi）徑的數（shù）據信息，對定轉（zhuǎn）子（zǐ）極弧係數、氣隙等數據進行調整，選擇合適的零件（jiàn）尺（chǐ）寸（cùn）完成主軸結構設（shè）計與安裝，在計算（suàn）機數據係統中生成了幾何模型進行有（yǒu）限元分析，從機床控製接口輸入幾（jǐ）何模型，利用瞬態模塊完成二維時步有限元計算。通（tōng）過（guò）計算機軟件定義外加電路，分別建立功率變換器分析模型、驅動電路分（fèn）析模型（xíng），彼此之間相互驗（yàn）證（zhèng）形成（chéng）仿（fǎng）真體（tǐ）係。

１．４．２三角形單元網格剖分

定（dìng）子繞組有限元分析的（de）前提是電機模型的建立，定義運動邊界的限製條件，通過有限元算法分析的時間步長，了（le）解電機係統網格的劃分情（qíng）況。Ｍａｘｗｅｎ能夠自動剖分有限（xiàn）元網格，在實（shí）際分析計算過程中，當計算（suàn）精度無法滿足分析需求時，需要借助手工操作的（de）方式，全麵提高氣隙區域的（de）網格密度。三角形單元（yuán）網格剖分形式的運用，劃分（fèn）過程十分仔細（xì），網格的剖（pōu）分精度較高（gāo），但需要機器保持高運行時長。在進行（háng）磁（cí）場能量集中、磁場變化快的氣隙區域（yù），要確保網格劃分的精細程度，提高計算精度的同時，完成磁場（chǎng）變化不明顯的電機（jī）區域網格劃（huá）分。有限元計算需要（yào）具備理想的邊（biān）界條件（磁通平行邊界），在進行繞組激勵源（yuán）輸入的過程中，要通（tōng）過外電路完成（chéng）輸入，建立ＳＲＭ驅動電路分析模型。

２、有限元分析（xī）車銑複合加工中心主軸結構

２．１有限（xiàn）元分析的（de）主要流程

想（xiǎng）要保證係統運（yùn）行的穩定（dìng）性、分析結果的準（zhǔn）確性，就需要結合（hé）車銑複（fù）合加工中心主軸的實際構成情況，建（jiàn）立三維實體模型，在此基礎上進行靜態分析，適當地對主軸增加約束力和載荷（hé）重量，根據有限（xiàn）元模型顯（xiǎn）示的各項數據信息，在ＡＮＳＹＳＹ裏求解，分析（xī）機床主（zhǔ）軸的（de）廣義特征。

通過合理計算得到車銑複合加（jiā）工中心主軸的有限元節點（diǎn），分（fèn）析有限元模型坐標係中產生的變形情況和移（yí）動情況，借助（zhù）表格與色度圖的顯示形式（shì），向（xiàng）計算人員展示設備與零件的位移數值與扭轉變形的程度。分析多個節點的變形強弱，對主軸（zhóu）運行階段承受的應力大小進行計算，同時得到車（chē）銑複合加工（gōng）中心主軸應力的主要受力點，分析多（duō）個節（jiē）點的位移變化，將得到的數值代入到徑向剛度（dù）計算公式（shì）：Ｋｒ＝Ｆ／Ｗ，完成車（chē）銑複合加工中心主軸剛度（dù）計算。

２．１．１主軸部件有限元模型

車（chē）銑複合加工中心主軸普遍（biàn）為階梯空心軸，在進行主軸（zhóu）部件動態、靜態設（shè）計的過程中，需要利用有限元（yuán）分析軟件（ＡＮＳＹＳ）對主軸部件的（de）工作情況進行分析，根據運行時期工件的具體表現，製定主軸（zhóu）部件有限元模型，對分析流程進行分割。一（yī）般情況下，車銑複合加工中心主軸部件構成，需要前後兩套角與（yǔ）陶瓷球軸（zhóu）承建立支撐關（guān）係，保證前軸承（chéng）的固定狀態，能夠完成承受徑向載荷、雙向軸向載（zǎi）荷，後軸承在定向階段會產生輕微的（de）位移，在進行主軸工作熱伸長的補償處理（lǐ）階段，前（qián）後軸承在完成定位轉移的同時，將盈套固定在主軸區間。電機轉子改變鍵聯接的狀態，轉移（yí）到前（qián）後軸承之間，轉矩（jǔ）的傳遞工作需要借助壓配（pèi）合的摩擦力完成。

主軸部件建模的過程中，需要通過有限元分析ＡＮ－ＳＹＳ，計算簡化處理後實體模型的具體尺寸，生成關（guān）鍵節點，在得到的（de）截麵上（shàng）進行平麵（miàn）單元設計，主要采用手工劃分網格離散的處理形式，將（jiāng）帶網格的截麵轉化為帶網格的物體。結合現有的（de）主軸約束條件，參考主軸（zhóu）結構設計的（de）實（shí）際情況（kuàng），進（jìn）行科學的有限元分析，計算得到主軸的載荷條件，分析車銑複合加工中心主軸（zhóu）的銑削力。

２．１．２特定結構的振動特征分析

特定結構的振動特征分析指的是主（zhǔ）軸（zhóu）結（jié）構的固有頻率以及振型，采用模態分析的形式（shì）進行主軸結構故障診查，通過（guò）得到的固有頻率（lǜ）值（zhí）分析了解主（zhǔ）軸（zhóu）結構的整體剛（gāng）度（dù），分析結論：固（gù）有頻率越大、結構（gòu）剛度（dù）越大。分析主軸結構故障（zhàng）產生的主要原因，將機床振動形式（shì）分為自由振動、被動（dòng）振動（dòng）和自激振動三種，機（jī）床振動可能造（zào）成刀具位移，影響工（gōng）件的運行速度，無法保證工件的加工精度，最終的機床加工精度、效率不理想的後果。建（jiàn）立（lì）有限元分析模型計算機床固有頻率，是保證（zhèng）機床整體性能的主（zhǔ）要手段。

圖３　ＡＮＳＹＳ中（zhōng）主軸部（bù）件模型

２．２車銑複合加工中心主（zhǔ）軸結構特點

２．２．１主（zhǔ）軸結構靜態分析

通過有（yǒu）限元分析技術對車銑複合加工（gōng）中心主軸結構特點進行（háng）了解，靜態分析（xī）首先需要了解主軸變化前後（hòu）所產（chǎn）生（shēng）的位移矢量，分（fèn）析車銑複合加工中心（xīn）主（zhǔ）軸變形（xíng）的主要（yào）區域，變形問（wèn）題主要出現在主軸（zhóu）的前端部位，這是因為主軸前端作為主要受力（lì）點。與之相反後主軸端的（de）變形問題並不嚴重，通過調查分析表明，車銑複合加工中心（xīn）主軸的受力點所產生的應力最大，隨著坐標的移動，應力也逐漸向主軸（zhóu）後端移動。

２．２．２主軸（zhóu）結構模態分析

采用三維（wéi）實體模態分析法，對（duì）車銑複合加工中心主軸的運行狀態進行觀察，主要的分（fèn）析內容是，機床高速銑頭的（de）固有振動頻率，以此作為依據了解振（zhèn）動特性與（yǔ）響應特性，無阻尼自由振（zhèn）動實驗得到車銑（xǐ）複合加工中心主軸的固有（yǒu）振動特性，如表１所示，在檢驗固有頻率的同時，分析振動的（de）主要類型以（yǐ）及振動過程中（zhōng）產生的應力數值。車銑複合加工中心主軸運行的過程中，通過交變循環產生應力作用到主（zhǔ）軸，產生生產（chǎn）疲勞，對內部設備和工件造成不同程度的破壞。因此，需要製定出合理的解決方案提高主軸結構強度，借助（zhù）模態分析法計（jì）算出主軸的固有頻率（lǜ）與臨界轉（zhuǎn）速，通過數據調（diào）整在有效轉速＜臨界（jiè）轉速的狀態（tài）下重新定（dìng）位（wèi），避免對共振區域造（zào）成損耗，全麵提高（gāo）主軸設計成效。

表１　電主軸的固有振動頻率和振型（xíng）

２．３主軸結構銑削靜剛度分析（xī）

銑削靜剛度分析的主要目的是，了解機器在運（yùn）行過程中，各項數據是否滿足機床精度加工標準，在車銑複合加工中心主軸（zhóu）的靜剛度分析階段，結合靜載荷、位移比值，通過模型演示（shì），利用極端（duān）公式分析主軸剛度。車銑複合加工中心主軸結構（gòu）中主軸箱前端呈（chéng）現出六角外形（xíng），傾（qīng）斜分（fèn）布加（jiā）強筋對主軸（zhóu）載荷進行分解，當（dāng）主軸（zhóu）箱的頭部呈現（xiàn）出矩形（xíng），主軸孔壁會與板壁之間相切，同時在另（lìng）外一側設置加強筋作為支撐，主軸載荷分解轉移到左壁、兩處加強筋上。選擇合適形狀的（de）對角筋，能夠全麵提（tí）高主軸箱的彎曲剛度，降低立柱（zhù）發（fā）生變形的概（gài）率，如表２所示，在主軸結構設計階段，通過有限元分析得到主軸剛度的極差變（biàn）化，降低（dī）主軸麵內彎曲問題（tí）的發生。

表２　主軸剛（gāng）度的極差分析表

總結：在車銑複合加工中心主（zhǔ）軸結構問題解決的過程中，需要通過有限（xiàn）元（yuán）分析得到準（zhǔn）確的主軸端變形動態演示，在有ＡＮＳＹＳ軟件中以動畫播放的形式表現出來，並做好視頻、數據記錄找到危險截麵的所處區域，顯示出臨近受力點的軸肩區域工作情況，通過軸有限元（yuán）模型（xíng）完成２Ｄ、３Ｄ的主軸模態分析，為車銑複合加工中心主軸結構設計提供精準的參考數（shù）據，作為設計修改的基礎。

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