2017年5月23日

車銑加工中心關鍵部件的動態特性仿真分析

3. 2車銑加工中心關鍵部件的動態特性仿真分析在第2章基礎所建立的基于多柔體系統的虛擬樣機仿真模塑基礎上，對進行車銑加工中心關鍵部件的動態特性仿真分析，對車削主軸和銑刀主軸進行模態分析和諧響應分析，獲得其各階固有頻率和******位移響應，為關鍵部件的優化設計提供參考依據。由于兩個主軸的研究方?去相似，所以本文只對銑刀主軸進行仿真分析。加工中心的主軸一軸承系統的動態性能在很大程度上決定了機床的加工精度水平和切削加工能力。主軸的支承無論是采用滾動軸承，還是釆用滑動軸承，都要在對其進行必要的理論計算和有限元分析后進行合理選擇。當主軸組件選用滾動軸承作為主軸的支承時，其動態性能的優劣將反映在下列四方面的工作性能上: (1)由于其抗振能力不足而產生切削自激振動； (2)由于制造和裝配誤差引起的受迫振動，以及由于非均衡切削力所激勵的受迫振動； (3)由于振動激發而形成的機械噪聲； (4)在起動H丨制動的過渡過程中出現不平穩和動載荷劇增的現象。在大多數場合下，主軸軸承系統是機床主要的動態薄弱環節，也是構成自激振動的主要部件。為了提高產品的設計質量，同時也是為了進一步提高產品的性能，很有必要對主軸系統進行理論建模和仿真分析，以優化機床主軸系統的性能。在建立主軸一軸承系統的動力學模型時，采用有限元分析方法，主軸部件軸承處的支承剛度是最重要的參數之一，它直接影響動力學模型的精確度。因此討論主軸軸承的工作狀態，對于確定主軸軸承系統的工作狀態來說是非常重要的。3. 2.1主軸模態分析機床車削主軸和銑刀主軸都是車銑加工中心的關鍵部件，其動態特性直接影響到加工精度，對其進行模態分析是非常必要的。在主軸系統中軸承是非常重要的，傳統方法常常把軸承以剛性支撐進行研究，這種方法不是很準確。本文以彈性一阻尼的方法代替軸承的剛性支撐，并且研究主軸考慮彈性支撐時的固有振動特性，即彈簧剛度對主軸固有頻率和諧響應的影響。它與主軸既有徑向接觸乂有軸向接觸，表現出既有彈性又有阻尼。軸承對軸的作用力可以表示為通過彈簧一阻尼單元來代替剛性支撐，更接近實際，如圖3. 1 (a) 所承，為兩組彈簧一阻尼單元模型，位置取為兩個角接觸軸承之間的中截面處，用以考察角接觸球軸承對主軸徑向振動固有特性的影響。由于主軸的軸向剛度很大，阻尼對橫向振動特性影響很小，所以在建立有限元模型中只考慮徑向剛度和阻尼的影響，利用4個同截面周向均布的彈簧一阻尼單元模擬如圖3. 1(b)所示。在每個支承處利用4個沿圓周方向均布的彈簧阻尼單元模擬。1.有限元模型建立在有限元模型建立過程中，每組彈簧一阻尼單元釆用Comhinl4單元，Combinl4單元是具有縱向特性和扭轉特性的彈簧一阻尼單元。為研究角接觸球軸承對橫向振動固有特性的影響，有限元分析中釆用兩組彈簧單元進行分析。對于主軸零件采用的單元為Solid 92單元。對于主軸軸承支承部分有限元模型的建立，采用在每個圓周截面上建立 4個彈簧一阻尼單元沿圓周均布，彈簧單元的長度按照各處軸承的內外圈半徑確定。在建立有限元模型中，外圈節點利用Keypoims建立，內圈節點采用Hard PT建立，同時要保證每個彈簧單元的劃分網格數目為1，這樣才能夠保證計算結果的正確。如果彈簧劃分單元數目不為1，分析結果將主要表現為彈簧單元的振動。所有彈簧一阻尼單元外部四個節點限制全部自由度，前端內錐孔軸承支承內部四個節點限制軸向自由度。2.模態仿真結果分析在仿真之前需要對主軸單元進行參數設置，仿真的初始條件:主軸組件主要包括主軸、卡盤、轉子、制動盤，利用GLUE命令將多個體處理為一體，彈性模量為2. 06 x 10" kg/( m ? s2)，泊松比為0? 3，密度為7800 kg/m:'，前軸承剛度為2. 1 xlOx N/m，后軸承剛度支承為1.8 xl(fN/m。其中結合處前支承限制全部自由度，后支承限制UX、UY自由度,單元大小0.005m。從而獲得主軸的前六階固有頻率及振型，如圖3. 2所示。從圖3. 2(a)為彈賛一阻尼單元情況下，主軸一階模態計算結果，從圖中看出一階固有頻率約為0,模態變形表現為主軸平動。圖3. 2 (b)為主軸二階模態計算結果，從圖中看出二階固有頻率約為 601. 89Hz，模態變形表現為主軸在F方向上彎曲變形。從圖3. 2(c)得出二階固有頻率約為615. 62HZ，模態變形表現為主軸轉動K方向上彎曲變形。圖3. 2(d)為主軸四階模態計算結果，從圖中看出四階固有頻率約為1011.3Hz，模態變形表現為主軸在義方向上彎曲變形。從圖3.2(e)得出五階固有頻率約為1029.3HZ，主軸模態變形彎曲很大。圖 3.2(f)為主軸六階模態計算結果，從圖中看出六階固有頻率約為 1079Hz，模態變形表現為主軸在X方向上彎曲變形。在模態分析中，以彈性剛度和跨度為變化量，在ANSYS中采集多組數據進行比較（包括剛度為無窮即為剛性），然后通過MATLAB仿真軟件利用非線性進行擬合，仿真出主軸二階固有頻率與彈簧剛度和跨度的關系，如圖3.3所示。通過上圖分析可以看出，通過采用彈性支撐，主軸的固有頻率明顯降低。當彈簧剛度&的取值增大時，各階固有頻率相應增加，隨著剛度的增加，固有頻率逐漸趨于穩定。軸承之間的跨度增加，固有頻率增大，當達到440mm左右時固有頻率達到了最大值。3.2.2主軸諧響應分析車銑加工時，會有周期性的激振力作用在主軸上，當激振力頻率與系統固有頻率相同時就會發生共振，這不僅不能保證車銑的加工精度，而且也會對主軸造成嚴重破壞。主軸動力響應是評價主軸的動態性能的一個重要指標。為了和快速正弦掃描激振方法的試驗結果相對應，對主軸進行了諧響應分析。在主軸前端卡盤施加力200N，在200? 800Hz頻率范圍，采用stepped方式，分為30步，在激振點180°處拾振，施力點的徑向響應位移對頻率的曲線圖如圖3. 4所示。彈性支承采用剛度為心=2. 2 x 108N/m，無阻尼和有阻尼情況下進行主軸諧響應分析。可以看出主軸在產生共振時，******位移為4. 8pm。因此可以計算出主軸的最小動剛度為10/4. 8 =2.08N/pm。在工程上，阻尼很復雜，阻尼比一般取〇.〇3?0.05,其中圖3.5是阻尼比為〇. 05時的諧響應圖，在激振頻率在低頻時（小于400Hz)，振幅的大小主要取決于彈簧剛度，彈簧剛度越大，振幅越小，而在共振區，即激振頻率等于固有頻率時，系統發生共振，振幅的大小受阻尼比的影響很大，阻尼比越大，振幅越小，主軸部件的動態性能越好。從圖3. 6可以_出，軸承剛度和阻尼比越大對主軸諧響應越小，逐漸趨于穩定。通過彈性一阻尼單元模擬軸承方法，獲得主軸的固有頻率和諧響應特性。主軸的固有頻率隨著軸承剛度的增加而增大，達到定值趨于穩定，合理的跨度對固有頻率也有很大的影響，為結構優化設計提供參考依據。主軸的諧響應與剛度和阻尼都有密切的關系，在無阻尼時軸承的剛度越大，發生共振時的位移量越小，達到一定值趨于穩定。軸承剛度恒定時，阻尼比越大，發生共振時的位移量越小。通過彈性阻尼單元模擬軸承方法，對車銑加工中心主軸進行有限元仿真分析，獲得主軸的固有頻率和諧響應特性，該方法對設計該產品是方便可行的。本文由海天精工整理發表文章均來自網絡僅供學習參考，轉載請注明！

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