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車銑複合加工中心主軸結（jié）構的有限元分析

2022-5-30 來源：齊齊（qí）哈爾工（gōng）程學院作者：謝偉東

摘要：　車銑複合加工中心主軸是係統結構中的關鍵性零（líng）件，機床在運行過程中會受到不同程度的切削力，想要防止機床變形問題的發（fā）生率，需要通過科學的結構設置（zhì）保證機床的剛（gāng）度，當承（chéng）受較大的切削力時，依然保有較高的加工精度，降低自激振（zhèn）動問題的發（fā）生。采用有限元分析技術（shù）創建係統（tǒng）模型，通過車銑複合加工中心主軸結構的設計調整，對主軸剛度進行分析驗算，車銑複合加工中心主要包括單（dān）元技術、機床整機技術，其中主軸單元屬於單元技術的重要環節。車（chē）銑複合加工中心（xīn）主軸（電主軸）結構的（de）有限元分析，主要研（yán）究目的是提高（gāo）機床運行的穩定性，保證加工精度和（hé）主軸剛度（dù）。

關鍵詞：車銑複合加工中心；主軸結構；有（yǒu）限元分析

０引言

車銑複合（hé）加工中心主軸結構包括：主軸電機、主軸和軸承（chéng）等部分，主軸作為機床的核心部件，其結構性（xìng）能對在整台機床的運行穩定性有著重要影響，想要全麵提高（gāo）切削速度、保證機（jī）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（shù）手段（duàn）相互製約，解決速度與（yǔ）剛度之（zhī）間的矛盾（dùn），借助有（yǒu）限元分析法的便利性（xìng）和靈活性，對車銑複（fù）合加工主（zhǔ）軸結構進行分析，通常（cháng）情況（kuàng）下安裝兩個主軸，實現在不停車（chē）狀態下的自動對接轉移，自動化完成絕大部分的工（gōng）件加工工作（zuò），提高加工效率。

１、車銑複合加工中心主軸結構

１．１車銑（xǐ）複合加工中心主（zhǔ）軸結構

結（jié）合軸承結構的主要特點，車銑複合加（jiā）工中心主軸通常隻存在徑向剛（gāng）度，簡化處理後發現（xiàn）徑向壓縮彈簧。車銑複合加工中心（xīn）主軸簡化後（hòu）的力學模（mó）型分析過程中，可以有選擇的忽略軸承剛度與（yǔ）轉速、負荷之間的關係，假設軸承（chéng）的剛度為標準（zhǔn）常數進行後續的有限元（yuán）分析工作，這一（yī）過程中省略（luè）了工作（zuò）人員的（de）計算量，結合主軸結構類型，主要采用滾動軸承，省略（luè）阻力因素分析（xī）並不會對最（zuì）終的分析結果產生影響。如圖1所示，簡化主軸（zhóu）剛度細節部位進行整體（tǐ）顯示。

１．１．１軸殼

在進行主軸結構分析的過（guò）程中，軸殼作為主要部件之間，其尺寸（cùn）與位（wèi）置會（huì）對主軸設計精度產生影響，通過安裝過程的查（chá）看，設計人員將軸承座孔安裝（zhuāng）到軸殼上，在（zài）進行電機定子安（ān）裝的過程中，需要（yào）保持（chí）一端處（chù）於開放（fàng）狀態。一些大型的主軸結構（gòu）中，為了安裝便利，會在軸殼兩端設計的過程中采用開放型設計原理（lǐ），提（tí）高主（zhǔ）軸的（de）運行速度，保證運行功率，其中轉子直徑要高於軸承外徑，實現對機床裝配精度的控製，後軸承安裝（zhuāng）區域（yù）提供無間隙配合。

圖１　車銑複合加工中心主軸簡化後的力（lì）學模型（xíng）

１．１．２轉軸

轉軸屬於（yú）主軸的重要回轉體，轉軸的（de）實際精度（dù）會對主軸的（de）整體精度產生影響，采用的轉軸對形位公（gōng）差、尺寸精度有著高質量要求，轉軸在高速運轉的過程（chéng）中，受到偏（piān）心質量（liàng）的影（yǐng）響產生（shēng）不規則振動，無法（fǎ）保證機床動態性能的穩（wěn）定性，需要（yào）借助有限（xiàn）元（yuán）測試（shì）轉軸的動平衡，在測試的過程（chéng）中（zhōng）一部分（fèn）轉軸上（shàng）的零件要同時接受（shòu）動平衡測試。

１．１．３軸承

精密（mì）軸承作為主軸的核心支承部件，其（qí）尺（chǐ）寸、位置和功能會對（duì）主軸最高轉速產生（shēng）影響，因（yīn）此在主軸結構設計的過程中，需要選擇高（gāo）速性能、動負荷（hé）承（chéng）載（zǎi）強以及發熱量（liàng）小的精度軸承，其中常見（jiàn）的類型有：動靜（jìng）壓軸承、磁浮軸承等。

１．２主軸電（diàn）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（guò）程中，采用仿真處理的方式，主要的計算對象是電路、磁路，以此（cǐ）為基（jī）礎，通過Ａｎｓｏｆｔ中的ＲＭ　ｘｐｒｔ模塊進行電機結構選擇，參與到電磁設計分析的過程（chéng）中，計算軟件仿真建模數據。將已經完成的電機模型信息輸入到二維瞬態場。加載幾何（hé）模型的同（tóng）時進行模型材料定義，分別設定電機主從邊界（jiè）條件，采用網格劃分的形式得到各項信息，轉子受力（lì）過程中對（duì）氣隙網格具有一定的敏感（gǎn）性，因此，在得到的最小氣隙處分別設置了多（duō）層（céng）網格，計（jì）算出主軸電機電磁轉矩（jǔ），了解主（zhǔ）軸電機的電流（liú）變化流程（chéng）。

１．２．２二維電機瞬態分析

將已經構建完成的（de）仿真模型輸入到Ｍａｘｗｅｌｌ２Ｄ瞬態場，利用數據分析軟件定義電（diàn）機內部的主材（cái）料、設定精準度的邊界條件，合理添加激勵（lì）源，做好網格劃分處（chù）理。如圖２所示，計算磁鏈在經過轉子齒（chǐ）麵時的疏密（mì）程度，分析轉子齒部尺寸對最終分（fèn）析結果的（de）影響，並結合呈現的數據效果圖示，得出轉子電阻（zǔ）與轉子齒部尺寸的關係，保證漏抗（kàng）與加（jiā）工速度相契合。在主軸電機結構（gòu）設計的過程中滿足機床運（yùn）行速度（dù）範圍內的功率、扭矩需求，全麵提高轉子旋轉階段強度。

圖２　雙層繞組

１．３主軸（zhóu）電機繞組設計

主軸電機的定子（zǐ）繞組為勵磁繞組，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，車銑複合加工中心主軸電機繞組設計過程中采（cǎi）用單層繞組，需（xū）要在每個槽放置線圈邊。單層繞組的線圈槽（cáo）數量較少，實現對槽麵積的綜合利用，繞組的斷口接線長度有限，無（wú）法隨意進行節距調（diào）整，繞組的端部交疊安（ān）裝，具（jù）有較高的穩（wěn）定性（xìng）。在（zài）進行繞組類型選擇的過程中，要結合主軸結構特點進行綜合考量（liàng），車銑複合加工中心主軸（zhóu）的（de）定子槽較（jiào）淺，主要采用雙層繞組，在嵌線階段會遇到很多問題，繞組的散熱性能較差，但雙層繞組的應用能夠降低高次諧波損耗。

１．４電機定子繞組的有限元分析

１．４．１有限元模型的建立

車銑（xǐ）複合加工中心主軸（zhóu）定（dìng）子繞組為三相１２／８極結構ＳＩＴＭ，結合ＳＲＭ定轉（zhuǎn）子外徑與內徑的數據信息，對（duì）定轉子極弧係數、氣隙等數（shù）據進行調整，選擇合適的零件（jiàn）尺寸完成主軸結構設（shè）計與安裝，在計算機數（shù）據係統中生成了幾何模型進行有限元分析，從機床控製接口輸入幾（jǐ）何模型，利用（yòng）瞬態模塊完成二維時步有限元計算。通過計算機軟件定義（yì）外加電路，分別建立功率變換器（qì）分析模型、驅動電路分析模（mó）型，彼此之間相互驗證形成仿真體係。

１．４．２三角形單元網格剖分

定（dìng）子（zǐ）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（xiàn）元算法分析的時間步長，了解電機係統網格的劃分情況。Ｍａｘｗｅｎ能夠自動剖分有限元網格，在實際分析計（jì）算過程中，當計算精度無法滿足分析需求時，需要（yào）借助（zhù）手工操作（zuò）的方式，全麵（miàn）提高（gāo）氣（qì）隙區域的（de）網格密度（dù）。三角形單（dān）元網格剖分（fèn）形式的運用，劃分過程十分仔細（xì），網格的剖分精度較高，但需要機器保持高運行時長（zhǎng）。在進行磁場（chǎng）能量集中（zhōng）、磁（cí）場變化快的氣隙區域，要（yào）確保網格劃（huá）分的精細程度，提高計算（suàn）精度的同時，完成磁場變化不明顯的電機區域網格劃分。有限元計算需（xū）要具備理想（xiǎng）的（de）邊界條件（磁通平行邊界），在進（jìn）行繞組（zǔ）激勵源輸入的（de）過程中，要通過外電路完成輸入，建立ＳＲＭ驅動電路分析模型。

２、有限元（yuán）分（fèn）析車銑複（fù）合加工（gōng）中心主軸結構

２．１有限元分析的主要流程

想要保證係統運行的穩（wěn）定性、分析結果的準確性，就需要結合車銑複合加工中心主軸的實際構成情況，建立三維實體模型，在此基礎上進行靜態分析，適當地對主軸增加約（yuē）束力和載荷重量，根（gēn）據有限元模型顯（xiǎn）示的各項數據信息，在ＡＮＳＹＳＹ裏求解，分析機床主軸的廣義特征。

通過合理計算得到車銑複（fù）合加工中心主（zhǔ）軸的（de）有（yǒu）限元節（jiē）點（diǎn），分析有限（xiàn）元模型坐標係中產生（shēng）的變形情況和移動情況（kuàng），借助表格與色（sè）度圖的顯（xiǎn）示形式，向（xiàng）計算人員展示設備與零件的位移數（shù）值與扭轉變形的程度。分析多個節點的變形強弱，對主軸運行階段承受的應力大（dà）小進行計算，同時得到車銑複合加工中心主軸應力的主要受力點（diǎn），分析（xī）多個節點的位移變化，將（jiāng）得（dé）到的數值代入到徑向剛度計算公式：Ｋｒ＝Ｆ／Ｗ，完成車（chē）銑複合加工中心主軸剛度計算。

２．１．１主軸部件有限（xiàn）元模型

車銑複（fù）合加（jiā）工中心主軸普遍為階梯空（kōng）心（xīn）軸，在進行主軸部件動態、靜態設（shè）計的過程（chéng）中，需要利用有限元分析軟件（ＡＮＳＹＳ）對主（zhǔ）軸部件的工作情況（kuàng）進行分析，根（gēn）據運行時期工件的具體（tǐ）表現，製定主軸部件有限元模型，對分（fèn）析流程進行分割。一般情況下，車銑複合加工中心主軸部件構成，需要前後兩套角與陶（táo）瓷球軸承建立支撐關係，保（bǎo）證前軸承的固定狀態，能夠完成承受徑向載荷（hé）、雙向軸向載荷，後軸承在定向階（jiē）段會產生輕微的位移，在進行主軸工作熱（rè）伸長的補償處理階段，前後軸承在完成（chéng）定位轉（zhuǎn）移的同時，將盈套固定在主軸區間。電機轉（zhuǎn）子改變鍵聯接的狀態，轉移到前後軸（zhóu）承（chéng）之間，轉矩的傳遞工作需要借助壓配合的（de）摩擦力完成。

主軸部件建模的過程中，需要通過有限元（yuán）分析（xī）ＡＮ－ＳＹＳ，計算（suàn）簡化處理後（hòu）實（shí）體模型的具體尺寸，生成關鍵節點，在得到的截麵（miàn）上（shàng）進行平麵單元設計，主要（yào）采用手工劃分（fèn）網格離散的處理形式，將帶網格的截麵轉化為帶網格的物體。結合現有的主軸（zhóu）約束條件，參考主軸結構設計的實際（jì）情況，進行科學的有（yǒu）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（zhǔ）軸的銑削（xuē）力。

２．１．２特（tè）定結（jié）構的振（zhèn）動特征分析

特定結構的振動特征分析指的是主軸（zhóu）結構的固有頻（pín）率以及振型，采用模態分析的形（xíng）式進行主軸結構故障（zhàng）診查，通過得到（dào）的（de）固有頻（pín）率值分析了解主軸結（jié）構的整體剛度，分析結論：固有（yǒu）頻率（lǜ）越大、結構剛度越大。分析主軸結構故障產生的主要原因，將（jiāng）機床振（zhèn）動（dòng）形式分為自（zì）由振動、被動振動和自（zì）激振動三種，機（jī）床振動可能造（zào）成刀具位（wèi）移，影響工件的運行速度，無法保證工件的加（jiā）工精度，最終的機床加工精度、效率不理想的後果。建立有限元分析模型計算機床（chuáng）固有頻率，是保證機床整體性（xìng）能的主要手（shǒu）段。

圖３　ＡＮＳＹＳ中主軸部（bù）件模型

２．２車銑複合加工中心主軸結構特點

２．２．１主軸結構靜（jìng）態分析

通過有限元分析技術（shù）對車銑複合（hé）加工中心（xīn）主軸結構特點進行了解，靜態分析首先需要了解主軸變（biàn）化前後所產生的位（wèi）移矢（shǐ）量，分析車銑複合加工中心主軸變形的主要區域，變形（xíng）問題主要出（chū）現在主（zhǔ）軸（zhóu）的前端部位，這是因為（wéi）主（zhǔ）軸前端作為主要（yào）受力點。與之相（xiàng）反後（hòu）主軸端（duān）的變形問題並不嚴（yán）重，通過調查分析表明，車銑複合加工中心主（zhǔ）軸的受（shòu）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（hòu）端移動。

２．２．２主軸結構模態分析

采（cǎi）用三維實體模態分析法，對車銑複合加工中心主（zhǔ）軸的運行狀態進行觀察，主要的分析內容是，機床高速銑頭的固有振動頻率，以此（cǐ）作（zuò）為依據了解振動特性與響（xiǎng）應特性，無阻尼自由振動實（shí）驗得到車銑複合加工中心主軸的固有振動特性，如（rú）表１所示，在檢驗固有頻率的同時，分（fèn）析（xī）振（zhèn）動的主要類型以及（jí）振（zhèn）動過程中產生的（de）應力數值。車銑複合加工中心主軸運行的過（guò）程中，通過交變循（xún）環產生應力作（zuò）用到主軸，產生（shēng）生產疲勞，對內部設備和工件造成不同程度的破（pò）壞（huài）。因此，需要製定出合理的解決方案（àn）提高主（zhǔ）軸結構強度，借助模態分析法計算出主軸的固（gù）有（yǒu）頻率與臨界（jiè）轉速，通過數（shù）據調整在有效（xiào）轉速＜臨界轉速的狀（zhuàng）態下重新定（dìng）位，避（bì）免對共振（zhèn）區域造成損耗，全（quán）麵提高主軸設計（jì）成（chéng）效。

表１　電主軸的固有振動頻率和振型

２．３主軸（zhóu）結構銑削靜剛度分析

銑削靜剛度分析的主要目的是（shì），了解（jiě）機器在運行過程中，各項數據是否滿足機床精度加工標（biāo）準，在車銑（xǐ）複合加（jiā）工中心主軸的靜剛（gāng）度分析階段，結合靜載荷、位移比值，通過模型演示，利用極端公式分（fèn）析主軸剛度。車銑複合加工中心主軸結構中（zhōng）主軸箱前端呈（chéng）現出六角外（wài）形，傾斜分布加強筋對主軸載荷進行分解，當主軸箱的頭部（bù）呈現出矩形，主軸（zhóu）孔壁會與板壁之間相（xiàng）切，同時在另外一側（cè）設置加強筋作為（wéi）支撐（chēng），主軸（zhóu）載荷分解轉移（yí）到左壁、兩處加強筋上。選擇合（hé）適形狀（zhuàng）的對角筋，能夠全麵提高（gāo）主軸箱的彎曲剛度，降（jiàng）低立柱發生變形（xíng）的概率，如表２所示，在主軸結構設計（jì）階段，通過有限元分（fèn）析得到主軸剛度的極差變化，降低主軸麵內彎曲問（wèn）題的發生。

表２　主軸剛度的極差分（fèn）析表

總結：在車銑複合加工中心主軸結構問題解決的過程中，需要通過有限（xiàn）元分析得到準（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（xiǎn）示出臨（lín）近受力點的軸肩區域工作（zuò）情況，通過軸（zhóu）有（yǒu）限元模型完（wán）成２Ｄ、３Ｄ的（de）主軸模態分析，為車銑複合加工中心主軸結構（gòu）設計提供精準的參考數據，作為設計修改的基（jī）礎。

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