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TK6920 澆灌定位組合鏜軸動態特性分析及應用

2016-7-14 來（lái）源：武漢國威重型（xíng）機床（chuáng）股（gǔ）份有限公司等作者：陳水勝胡海楊哲嚴（yán）進

摘要: TK69 係列大型數控（kòng）落地銑鏜床是《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》( 2006—2020) 和國家統計局（jú）《戰略性新興產業分（fèn）類( 2012) 》重點發展的項目，其主軸（zhóu）的（de）動態性能（néng）直接影響到機床的加工（gōng）精度。結合TK6920 主軸的功用（yòng），提出一種澆（jiāo）灌定位組合鏜軸，基於機床有（yǒu）限元法對其動態特性（xìng）進行了分析（xī）和試驗驗證，得出該鏜軸具有良好的抗（kàng）振性能和結構工藝性，滿足重型機（jī）床高速、高精、高效的需要。

關鍵詞: 銑（xǐ）鏜床; 組合鏜軸; 動態特性; 抗振性; 結構工（gōng）藝性

現代數控（kòng）機床正向高速度、高精度、高剛度方（fāng）向發展［1］。TK6920 重型數控銑鏜床是一種性能優良、加工工藝範圍廣泛、精度及生產效率較高的（de）設備，也（yě）是《國家中長期科（kē）學和技術發展規劃綱要（yào）》( 2006—2020) 和《戰略性新興產業分類（lèi）( 2012) 》中重點發展的高（gāo）端技術裝（zhuāng）備（bèi）。該機（jī）床一次裝夾（jiá）就可完成鑽、擴、鏜、切溝槽和平麵銑削加工，如果再配（pèi）上高精度的數（shù）控回轉工作台，一（yī）次裝卡便可完成5 個麵的多道工序的加工，是冶金、能源、電（diàn）力、船舶（bó）、核電（diàn）等行業大型零件加工必不可少的加工設備。為了滿足機床高速（sù）、高精（jīng）、高效的切削加工要求，需要機床結構具有更高的強度、剛度（dù）、熱穩定性和抗（kàng）振（zhèn）性等（děng）性能。當前，國產的該類機床（chuáng）主軸轉速一般（bān）在2 ～ 1 200 r /min之間，國外同類機床轉（zhuǎn）速（sù）可以達到2 500 r /min; 在高速性能指標上（shàng）國產與國外的同類（lèi）機床相比較還有一定差距，對生產效率的進一步提高有一定限製。而（ér）主軸作為（wéi）機床傳遞主運動、提供主切削速度的關鍵部件，主軸轉速直接（jiē）決定著加工效率，並且其動態性能好壞直接影響著機床最終加工性能（néng）［2］。因此，對TK6920重型數控銑鏜床高速主軸的優化設（shè）計、動態性能分析和實（shí）驗驗證尤有必要。

1、灌定位組合鏜軸的結構（gòu）

以TK6920 /80 × 50 數控落地銑鏜床為例，主要（yào）技術參數見表1。

澆灌定（dìng）位組合鏜軸如圖1 所示（shì），整體式鏜軸（zhóu）如圖2 所示。澆灌定位組合式鏜（táng）軸（zhóu）分為兩部分: 鏜軸頭部和鏜軸（zhóu）尾部，兩部分分開進行加工，接（jiē）頭2 後端軸頸與鏜軸1 的內孔配合，接（jiē）頭2 前端的定位軸肩靠在鏜軸1 的端（duān）麵上，並由螺栓6 固定，接頭2 上有用於裝卡刀具的錐孔，在（zài）鏜軸1 上有內錐孔，接頭2 外部有錐麵，內錐孔與錐麵之間形成錐環形縫隙，錐環形縫隙（xì）內澆（jiāo）灌有固化膠7，鏜軸（zhóu）1 與接頭2 之（zhī）間還連接有傳動銷8，傳動（dòng）銷（xiāo）8 與接頭2 之間也澆灌有固化膠7。傳動銷8 的作用是同螺栓6 一起承受接頭（tóu）2 與鏜軸1 之間的扭矩［3］。

TK6920 數控銑鏜床采用3 支撐主軸結構。這是由（yóu）於（yú）主軸跨（kuà）距較大（dà），3 支撐可以有（yǒu）效（xiào）減少主（zhǔ）軸彎（wān）曲（qǔ）變形。這3 個（gè）支撐中，前支撐和中間支撐分別由1 對角接（jiē）觸球軸承組成，其型號為B71952E T P4S UL。這2對角接觸（chù）球軸承（chéng）采用背對背的組合方式，2 個軸承共同承擔徑向載荷，還可以承受雙向的軸（zhóu）向載荷。後（hòu）排（pái）軸承由1 對深溝球軸承組成，其型號為61948M-P5。這對軸承是輔助支撐，安裝時在徑向要保留必要的遊（yóu）隙，從而避免主軸安裝軸承處（chù）軸徑和箱（xiāng）體安裝軸承（chéng）處孔的製造誤差引起的幹涉（shè）。

2、鏜軸有限元動（dòng）態特性分析（xī）

主（zhǔ）軸是機床最重要的部件之一，其前端安裝刀柄和刀具，直接參（cān）與切削加工，其性能直接影響到零件的加工質量以及加工效率等。機床加工工件時所受的切（qiē）削力變化較大，引起的（de）振動也很大，嚴重影響加工質量，為此必須對機床進行動（dòng）態特性分析。模態分（fèn）析法和諧響應分析是（shì）目前研（yán）究機床動態性能的最主要方法，模態分（fèn）析可以判斷出主軸的（de）設計是否合理、振型是否影響加（jiā）工精度; 諧（xié）響應分析可（kě）以預測結構的持續動力特性，從而驗證主軸結構能否克服共振、疲勞，以此對主軸進行結構優化，使其滿足機床對加工質量的要求。

2. 1、鏜軸的三維（wéi）建模

進行有限元分析所用的（de）軟件是ANSYS，但是鑒於其建模功能的缺陷，首先用SolidWorks 軟件進行建模，然後導入ANSYS 進行分析。建模時忽略了一些對有限元分析結果影響不大的因素，如一些（xiē）小圓角（jiǎo）、倒角和凹（āo）槽等［4］。

2. 2、鏜軸剛度（dù）分析

根據機床加工性能要求，設定（dìng）鏜軸最大扭矩為T = 11 500 N·m，最（zuì）大切削力為Fc = 50 000 N，依據經驗公式計算最大（dà）進給力為（wéi）: Ff = 0. 4Fc = 20 000 N。單元選Beam188，設定主軸（zhóu）的（de）彈性模量、泊鬆比和密度，劃分網格，施加約束（shù），施加載荷( 切削力、進給力和扭矩) ，得到的主軸靜力（lì）變形（xíng）如圖3、圖4所示，扭轉變形如（rú）圖5、圖6 所示。

在最大（dà）扭矩的作用下: 澆灌定位組合鏜軸扭轉變形為0. 02，整體式鏜軸扭轉變形為0. 001 4。實際應用中很少出現因（yīn）強度不夠而導致主軸疲勞斷裂失效的情（qíng）況，可能會出現的是切削力作用下（xià）剛度不足而出現的變（biàn）形過大，又或者會產生振動使加工精度受到影響的（de）現（xiàn）象。所以有必要比較一下這兩種主軸的剛度是否能（néng）滿足使用要求。

主軸（zhóu）的剛度就是指（zhǐ）其在（zài）外載荷作用（yòng）下抵（dǐ）抗變形的能（néng）力。剛度的計算公式如下（xià）:

式中: F 為切削力，y 為（wéi）變形量，K 為（wéi）剛度。根據ANSYS 分析結果，分別算出澆灌定位組合鏜軸和整體式（shì）鏜軸（zhóu）的剛（gāng）度K1和K2為:

查資料知，澆灌定位組合鏜軸的剛（gāng）度完全能夠滿足工（gōng）作的需求; 從（cóng）計算結果（guǒ）看整體式鏜軸的剛度比澆灌定位組合（hé）式鏜軸好一（yī）些，這與實際情（qíng）況相符。

2. 3、鏜軸動力學分（fèn）析

澆灌定位（wèi）組合鏜軸與整體（tǐ）式鏜軸的動力學分析有所不同（tóng），因為澆（jiāo）灌定位組合鏜（táng）軸頭（tóu）部與尾部是用固化膠TS355 粘接起來的，而整體式鏜（táng）軸不存在粘接，所以要將固化膠部分看做是結合麵。結合麵通常（cháng）采用彈簧阻尼單元來模擬，計算出剛度和阻（zǔ）尼就可以進行結合麵的等（děng）效代換。結合麵的（de）接觸剛度和接觸阻尼對整機動（dòng）態特性影響很大，研究表明: 結（jié）合麵特（tè）性對機床整機性能有（yǒu）很大的影響，機床的靜剛度中，30% ～50%取決於結合麵的剛（gāng）度特性; 機床阻尼值的90%以上來源於結（jié）合麵的阻尼（ní）特性，60%的機床振動問題源於結合麵［5 － 6］。所（suǒ）以（yǐ）合理（lǐ）選擇（zé）等效結合麵的參（cān）數至關重要。固化膠層的厚度是影響結合麵（miàn）參數的一個主要因素，選擇合適的澆灌厚度對機床（chuáng）動態性能（néng）的影響不言而喻。灌膠工藝所用的定位膠材（cái）料沒有鑄鐵高，定位膠越厚，其剛性越差，但若定位膠太薄，粘接強度又不夠，故在灌膠過程中應嚴格控製定位膠的厚度［7］。經過試驗分析驗證，得出錐環形縫隙最佳厚度為2. 5 mm［3］。

2. 3. 1、鏜軸（zhóu）模態分析

選用Block Lanczos 方法進行模態（tài）提取，文中提取（qǔ）澆灌定位組（zǔ）合式主軸和（hé）整體（tǐ）式（shì）主軸的前6 階模態( 表2) ，第3 階振型見圖7

由表2 可得出以下結論:

( 1) 鏜軸前兩階頻率很小，約等於0，屬於剛體振動，可以忽略。

( 2) 鏜軸第3 階和第（dì）4 階頻率較為接近，可以視（shì）為重根，第5 階與第6 階頻率較為接近，都可視（shì）為重根。

( 3) 澆灌定位組合鏜軸1 階固有（yǒu）頻率為（wéi）88 Hz，2 階為144 Hz; 整（zhěng）體式鏜軸1 階固（gù）有頻（pín）率為95 Hz，2階為134 Hz。

( 4) 鏜軸工作轉速為2 ～ 2 500 r /min，固有頻率範圍（wéi）為0. 03 ～ 41. 67 Hz，與鏜軸固（gù）有頻率差距較大，工作時不會發生（shēng）共振（zhèn）。

2. 3. 2、鏜軸諧響應分（fèn）析

諧響應分析是確定結構在承受隨時間（jiān）正弦( 簡諧) 變（biàn）化的載荷作用時穩態響應的（de）一種技（jì）術［8］。機床（chuáng）在工作（zuò）中，鏜軸會受到周（zhōu）期性的激振力的（de）作用，如果因為沒有提前預測而使機床發生共振，尤其是工作過程中（zhōng）的鏜軸受到的激振頻率與其固（gù）有（yǒu）頻率接近（jìn）時，不（bú）僅影響加工精（jīng）度，還會對機床造成損壞，影響機床使用壽命，因（yīn）此（cǐ）對鏜軸（zhóu）進行（háng）諧響應分析很有必要。

對澆灌定位組合式鏜軸和整體式鏜軸分別進行諧響應分析，加載激振力為UZ 負方向，大小9. 8 N，頻率範圍分別為65 ～ 200 Hz 和70 ～ 200 Hz，分10 個載荷子步計算主軸1 階固有頻率和2 階固有頻（pín）率附近的響應［8］，諧響應分（fèn）析結果如圖9 所示。

從圖8 可以看出: 澆灌定位組（zǔ）合式鏜軸的激（jī）振頻率的峰值發生在93 和145 Hz 左右，整體式鏜軸的激振頻率峰值（zhí）發生在（zài）90 與135 Hz 左右（yòu），與模態分析的結果相符合，且澆灌定位組合鏜軸的位移幅（fú）值比（bǐ）整體式主軸的要小，由此得出澆灌定位組合鏜軸的（de）抗振型（xíng）性較好一（yī）些，結構也趨於合理。

3、實驗驗證

機床主軸作為與刀具（jù）直接（jiē）相連的（de）關鍵（jiàn）部件，其動態（tài）性能對機（jī）床綜合機（jī）械加工性能有直接的影響。通過上述的分析與研究得（dé）出: 澆灌定位組（zǔ）合鏜（táng）軸的剛度、強度（dù）等機械性能指（zhǐ）標不僅（jǐn）能（néng）滿足使（shǐ）用要（yào）求（qiú），還具有良好的動（dòng）態性能; 既滿足機床高轉速（sù）、高剛度的要求，又具有良好的抗振性和結（jié）構工（gōng）藝性。作為高速、高精和高效的TK6920 機床的組合鏜軸，在工程應用上是否與（yǔ）研究結果相（xiàng）符，還需對機（jī）床的實際加工性能（néng）進行試（shì）驗驗（yàn）證。

參照現行機床行業執行的（de）產品質量標準《GB/T5289. 3-2006 臥式銑鏜床檢驗條件精度檢驗（yàn）第3 部分: 帶分離式工件夾持固定工作台的落（luò）地（dì）式機床（chuáng）》，對試件進行切削加（jiā）工，驗證機床的工作精度。

加工及檢驗示意（yì）圖如（rú）圖9 所示，試（shì）件材（cái）料為鑄鐵( HT250) ，用螺釘緊固在夾具的安裝支架上，主要加工麵為（wéi）內圓表麵a1、a2，外圓表麵（miàn）b1、b2。鏜孔直徑d 應等於或略大於鏜軸直徑（jìng）。車削直徑D 的確定應使( D － d) /2 的值等於或略小於平旋盤徑向滑（huá）塊（kuài）的最大行程。檢驗項目如表3 所示。

從表3 可以看出: 使用了上述組合鏜軸的TK6920 機床（chuáng）實際加（jiā）工精度在國家標準所（suǒ）允許的誤差範圍內，並且加工精度高出30% ～ 50%。試驗數據表明: 澆灌定（dìng）位組合鏜軸的動態性能好，機床加工精度高。

4、結論

通過對澆灌定位組合鏜軸的（de）動（dòng）態特性分析和實驗驗證得出以下結論（lùn）: ( 1) 澆灌定位組合鏜軸的剛度（dù）、強度都滿足使用要求; ( 2) 澆灌定位組合鏜軸的動態性能好，既滿足機床高轉速、高剛度的要求，又具（jù）有良好的結構工藝性和抗振性; 工（gōng）藝上，澆灌定位組合鏜軸分兩部分（fèn）加工，相對整體（tǐ）式鏜軸而言加工起來較為簡單（dān），精度也（yě）容易（yì）保（bǎo）證; 抗振性上，澆灌定位組合鏜軸創造性地在鏜軸頭部外圓和尾部內圓設置了錐環（huán）形縫隙，這個縫隙裏麵充滿具有黏、彈性的固化（huà）膠，阻尼（ní）係數大，可以（yǐ）起到（dào）減振、吸振的作用。

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