从20世纪90年代开始,高速切削技术已经进入 了工业应用阶段,并取得了显著的经济效益。与普通切 削相比,高速切削能够提高加工效率,改善表面加工质 量,显著提高加工精度,正是基于这些优势,高速切削 技术在国内外已经成为重要的研究领域之_[1]。作为 高速切削的核心功能部件,主轴的动态性能直接影响 到机床的加工质量和生产效率,也是影响机床加工精 度的重要因素。因此,对主轴进行动态分析,研究主轴 的模态特性、谐响应特性,对于提高机床的整体工作性 能是很有必要的[2,3],也为主轴的改进优化提供了技术 资料。
1主轴结构简介
主轴是机床非常重要的部件之_,它的主要功能 是带动刀具高速旋转,完成切削加工任务。在切削过程 中,主轴主要承受切削力和来自机床的驱动力W。现代数控机床功率大,切削速度快,主轴高速旋转,由机床 本身的可靠性来保证加工质量,因此主轴必须具有良 好的静动态特性。
本文以JY-5数控铣床的主轴为研究对象,主轴结 构如图1所示。
该主轴材料为40Cr,由三组轴承支承,整个支承 结构采用_端固定_端浮动的方式,支承1为固定端, 支承2和3为浮动端。支承1、2均为单列角接触球轴 承,采用背靠背的安装方式,支承3采用单列圆柱滚子 轴承。主轴的最高转速为12 000 r/min,对应的主轴频 率为200 Hz,进给系统的快速移动速度为50 m/min。
2主轴的模态分析
模态分析主要用于确定结构或者系统的模态参 数,模态参数包括:固有频率、模态振型、模态刚度和模 态阻尼等,其中固有频率和模态振型是最重要的模态 参数[5]。通过模态分析可确定主轴的固有频率,避免施 加在主轴上的载荷频率与主轴的固有频率相同或接近 而产生共振,进而造成巨大损失;同时模态分析也是其 它动力学分析(如瞬态分析、谱分析、谐响应分析等)的 基础。
2.1 主轴有限元模型的建立
在对主轴进行模态分析时,需要先建立主轴的有 限元模型,具体步骤如下:
(1) 建立主轴三维实体模型。由于主轴结构较为 复杂,先采用Pro/E软件建立主轴三维实体模型,然后 导入到ANSYS软件。
(2) 对主轴进行单元划分。首先定义材料属性,设 置主轴材料的弹性模量、泊松比和密度;然后选择Solid45单元进行单元划分,共生成3 125个单元,5 216个节点;最后选用ANSYS软件中的弹簧单元来模拟轴 承支承,弹簧单元的刚度值即为轴承的径向刚度。
(3)施加载荷
和约束条件。由图1可知,主轴支承1处为固定端,主轴在此处与弹簧单元相连接的节点的自由度被全部约束;支承2、3处为浮动端,在主轴与弹簧单元相连接的节点上施加UY、UZ方向的约束,弹簧的另一端完全固接。构建的主轴有限元模 型如图2所示。
2.2 分析结果
应用ANSYS软件对主轴有限元模型进行分析,并 提取主轴前六阶的振型,如图3所示。
由主轴六阶振型图可知,主轴的二、三阶频率大小 基本相等,振型正交;四、五阶频率大小基本相等,振型 正交。
根据转速与频率的关系(n=60/),可得出主轴各阶固有频率对应的转速,见表1。
表1主轴固有频率-转速对照表 |
阶次 |
一 |
二 |
三 |
四 |
五 |
六 |
频率f/Hz |
0 |
793.987 |
794.144 |
950.963 |
951.38 |
1 466.06 |
转速 n/(r.min-1) |
0 |
47 639 |
47 648 |
57 057 |
57 082 |
87 963 |
由表1可以看出,主轴除第一阶固有频率外,其它 固有频率所对应的转速最小为47 639 r/min,而机床工 作时主轴的最高转速为12 000 r/min,对应主轴频率为 200 Hz,比主轴固有频率对应的最小转速小很多,所以 主轴在高速运转时不会产生共振现象,主轴的工作状 态是安全的。
3主轴谐响应特性分析
在实际工作中,主轴所受的载荷是动态变化的,主 轴在动态载荷下的抗振能力更能体现出主轴动态性能 的优劣,因此有必要对主轴进行谐响应分析。在进行谐 响应分析时,选取主轴前端为研究对象,得到主轴的振 幅-频率响应曲线。通过观察振幅-频率响应曲线,能 更好地了解主轴在外加动态载荷作用下的抗振性能, 以及其设计能否满足工作要求。
主轴前端安装刀具处受到来自工件的切削载荷, 所以在主轴前端安装刀具处施加大小为1 000 N的载 荷来模拟切削工况。根据前面对主轴模态特性的研究, 已经得到了主轴的前六阶固有频率值,其中二阶固有 频率约为793 Hz,所以设置载荷的频率范围为700~ 900 Hz,在该载荷作用下对主轴进行谐响应分析,研究 在二阶固有频率附近主轴的振动特性。图4为在切削 载荷作用下主轴的谐响应分析结果。
由图4可以看出,主轴的最大振动峰值出现在频 率为793 Hz处,振幅值为6 mm,而在200 Hz频率附 近主轴的振幅很小,所以不会对主轴产生太大影响。
4结束语
笔者以JY-5数控铣床型号为研究对象,对其主 轴建立有限元模型,进行了模态和谐响应特性分析。通
过模态分析,得到主轴的前六阶固有频率和相应转速
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