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車（chē）銑複合加工中心主軸結構的有限元分析

2022-5-30 來源：齊齊哈爾工程（chéng）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件，機床（chuáng）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生率，需要通過科學的結構設置保證（zhèng）機床的（de）剛度，當承受較大的切削力時，依然保有較高的加工精度，降低自激振動問題的發生。采用有限元分析技（jì）術創建係統模型，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元技術、機床整機技術，其中主軸單元屬於單元技術的（de）重要環節。車銑複合加工中心主（zhǔ）軸（電主軸）結（jié）構的有限元分析，主要研究目的是提高（gāo）機床運行的穩定性，保證加工精度和主軸剛度。

關鍵詞：車銑（xǐ）複合加工中心（xīn）；主軸結構；有限元分析

０引言

車銑複合加工（gōng）中心主軸結構（gòu）包括：主軸電機、主（zhǔ）軸（zhóu）和軸（zhóu）承等部分，主軸作為機床的核心部件，其結構性能對在整台機床的運行穩定性有著重要（yào）影響，想要全麵（miàn）提高切削速度、保證機械加工精度（dù），就需要建立有限元分析模（mó）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，解決速度與剛（gāng）度之間的矛盾，借助（zhù）有限元分析法的便利性和靈活性，對車銑複（fù）合加工主軸結（jié）構進行分析，通常情況下安裝兩個主軸，實現在不停車狀態下的自動對接轉移，自動化（huà）完（wán）成絕（jué）大（dà）部分的工件（jiàn）加工工作，提高加工效率。

１、車銑複（fù）合加工中心主（zhǔ）軸結構

１．１車銑複合加工中心主軸結構

結合軸承（chéng）結構的主要特點，車銑複（fù）合（hé）加工中心（xīn）主軸通常隻存在徑向剛（gāng）度，簡化處理後發現徑向壓縮彈簧。車銑複合加工中心主軸簡化後的力學模型（xíng）分析過程中，可以有選擇的忽略軸（zhóu）承剛（gāng）度與轉速、負荷之間的關係，假設軸承的剛度為標準常數進行後續的有限元（yuán）分析工作，這一過（guò）程中省略了工作人（rén）員的計算量，結合主軸結構類型，主要采（cǎi）用滾動軸承，省（shěng）略阻（zǔ）力因素分析並不會對最終（zhōng）的分析結果產（chǎn）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（jié）構分析的過程中，軸殼作為主（zhǔ）要部件之間，其尺（chǐ）寸與位置會對主（zhǔ）軸設計精度產生影響，通過安裝過程的查看，設計人員（yuán）將軸承座孔安裝到軸殼上，在進行電機定（dìng）子安裝的過程中，需（xū）要保持一端處於開放狀態（tài）。一些大型的主軸（zhóu）結構中，為了安裝便利，會在軸殼兩端設計的過程中采（cǎi）用開放（fàng）型設計原理，提高主軸的運（yùn）行（háng）速度，保證運行功率，其中轉子直徑要高於（yú）軸承外徑，實現對機床裝（zhuāng）配精度的控製（zhì），後軸承（chéng）安裝區域提供無間隙配合。

圖１　車銑複合加工中心主軸（zhóu）簡化後的力學（xué）模型

１．１．２轉軸

轉軸屬於主軸的重（chóng）要（yào）回轉（zhuǎn）體，轉軸的（de）實（shí）際精度會（huì）對主軸的整體精度產生影響，采用的轉軸對（duì）形位公差、尺寸精度（dù）有著高質量要求，轉軸在高速（sù）運轉的過程中，受（shòu）到偏心質量（liàng）的影響產生不規則振動，無法保證機床動態性能的穩定性，需要借助有限元測試轉軸的動（dòng）平衡，在測試的過（guò）程中（zhōng）一部分轉軸上的（de）零件要同時接受動平（píng）衡測試。

１．１．３軸承

精密軸承作為主軸的核心支承部件，其尺寸、位（wèi）置和功能（néng）會對主（zhǔ）軸最高轉速產生影響，因此在主軸結構設計的過程中，需要選擇高速性能、動負荷承載（zǎi）強以及發熱量小的（de）精（jīng）度軸承，其中常見的類（lèi）型（xíng）有：動靜壓軸承、磁浮軸承（chéng）等（děng）。

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（zhóu）電（diàn）機有限元（yuán）分析的過程中，采用仿真處理的方式，主要的計算對象是電路、磁路，以此（cǐ）為基礎，通過Ａｎｓｏｆｔ中的ＲＭ　ｘｐｒｔ模塊進（jìn）行電機結構選擇，參與到電磁（cí）設計分析的過程中，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。加載幾何模型的同時（shí）進行模型材料定（dìng）義，分別設（shè）定電機主從（cóng）邊界條件，采用網格劃分的形式得到各項信息，轉子受力過程中對氣隙網（wǎng）格具有一定的敏感性，因此，在（zài）得到的最小氣隙處分別設置（zhì）了多（duō）層網格，計算出主軸電機（jī）電磁（cí）轉矩，了解（jiě）主軸（zhóu）電機的電流變化流程。

１．２．２二維（wéi）電（diàn）機瞬態分析

將已經構建完成的仿真模型輸入到Ｍａｘｗｅｌｌ２Ｄ瞬態場，利用數據（jù）分析軟件定義電機內部的主材料、設（shè）定精準度的（de）邊界條件，合理添加激勵源，做好網格劃分處理。如圖（tú）２所示，計算磁鏈在經（jīng）過轉子齒麵時的疏密程度，分析轉（zhuǎn）子齒部（bù）尺寸對最終分析結果（guǒ）的影響，並（bìng）結合呈現的數據效果圖（tú）示，得出轉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（jī）結構設計的過程中滿足機床（chuáng）運行速度範圍內的功率、扭矩需求，全麵提高轉子旋轉（zhuǎn）階段強度。

圖２　雙層繞組（zǔ）

１．３主軸電機繞組設計

主軸電（diàn）機的定子繞（rào）組為勵磁繞組，在主軸結（jié）構設計的過程（chéng）中電（diàn）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（zǔ）設計過程中采用單層繞組，需要在（zài）每（měi）個槽放置線圈邊。單層繞（rào）組的線圈槽數（shù）量較少，實現對（duì）槽麵積的綜合利用，繞組的斷口（kǒu）接線長度有限，無法隨意進行節距調整，繞（rào）組的端部交疊安（ān）裝，具（jù）有較高的穩定性。在進行繞組類型選擇的過程（chéng）中，要結合主軸結（jié）構（gòu）特（tè）點進行綜合考（kǎo）量，車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（huì）遇（yù）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（de）有限元分析

１．４．１有限元模（mó）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定轉子外徑與內徑的數（shù）據信息，對（duì）定轉子極弧係數、氣隙等數據進行調整，選擇合適的零件尺寸完成主軸結（jié）構設計與安裝，在計算機數據係統中生成（chéng）了幾何模型進行有限元分析，從機床控製接口輸（shū）入幾（jǐ）何模型，利用瞬態模（mó）塊完成二維時步（bù）有限元計（jì）算。通過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（qū）動電路分析模型，彼此之間相互驗證形成仿真體係。

１．４．２三角（jiǎo）形（xíng）單元網格剖分

定子繞組有限元分析的前（qián）提是電機模型的建（jiàn）立，定義運動邊（biān）界的限製條件，通（tōng）過有限元算法（fǎ）分析的時間步長，了解電（diàn）機係（xì）統（tǒng）網格的劃分（fèn）情況。Ｍａｘｗｅｎ能夠自動剖分有限元網格，在實際分析（xī）計算過程中，當計算精度無法滿足分析需求時，需要借助手工操（cāo）作的方式（shì），全麵提高氣隙區域的網格密度（dù）。三角形單元網格剖分形式的運用，劃分過程十分仔細，網格（gé）的剖分精度較高，但需要機器保持高運行時長。在進行磁場能量集中、磁場變化快的氣隙區域，要確保網格劃分的（de）精細（xì）程度，提（tí）高計算精度的同時，完成磁場變化（huà）不明顯的電機區域網格劃分。有（yǒu）限元計算需要具備（bèi）理想的邊界條件（磁通平行邊界），在進行繞組激勵源輸入的過程中（zhōng），要通過外電路完（wán）成輸入，建立ＳＲＭ驅動（dòng）電路分析模型。

２、有限元分析車銑複合加工中心主軸結構

２．１有限元分析（xī）的主要流程

想要（yào）保（bǎo）證係統運行的穩定性、分（fèn）析結果的準確性，就需要結合車銑複合加工（gōng）中心主軸的實際構成情（qíng）況，建立（lì）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重量，根據有限元模型顯（xiǎn）示的各項數據（jù）信息，在ＡＮＳＹＳＹ裏求解，分析機（jī）床主軸的廣義（yì）特征。

通過合理計算得到（dào）車（chē）銑複（fù）合加工中心主軸的有限元節點，分析有限元模（mó）型坐（zuò）標係（xì）中產生的變形情況和移動情況，借助表格與色度（dù）圖（tú）的顯示形式，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（dù）。分析多個節點的變形強弱，對主軸運行（háng）階段承受的應力大小進行計算，同（tóng）時得到車銑（xǐ）複合加工中心（xīn）主（zhǔ）軸應力的主要受力（lì）點，分析多（duō）個節點的位移變化，將得到的數值代入到（dào）徑向剛度（dù）計算公式：Ｋｒ＝Ｆ／Ｗ，完成車銑複合加工中心主軸剛度計算。

２．１．１主軸部件有限元模型

車銑複合（hé）加工中心主（zhǔ）軸普遍為階梯空心軸，在進行主軸部件動態、靜態設計的過程中，需要利用有（yǒu）限元分析軟件（ＡＮＳＹＳ）對主軸部件的工作情況進（jìn）行分析，根據運行時期工件的具體表現，製定主軸部件（jiàn）有限（xiàn）元模型，對分析流程進行分割。一般情況下，車銑複合（hé）加工（gōng）中（zhōng）心主軸部件構（gòu）成（chéng），需要前後兩套角（jiǎo）與陶（táo）瓷球軸（zhóu）承建立支（zhī）撐關係，保證前軸承的（de）固定狀態，能夠（gòu）完成承受徑（jìng）向（xiàng）載荷、雙向軸向（xiàng）載荷，後軸承（chéng）在定向（xiàng）階段會產生輕微的位移，在進行主軸工作熱伸長的補償處理階段，前後軸承在完成定位轉移（yí）的同時，將盈（yíng）套固定在主軸區間。電（diàn）機（jī）轉子改變鍵聯接的狀態，轉移到前後軸承（chéng）之間，轉矩的傳遞（dì）工作需要借（jiè）助壓配合的摩擦力完成。

主軸部件建模的過程（chéng）中，需要通過（guò）有限元分析ＡＮ－ＳＹＳ，計算簡化處理後實體模型的具體尺（chǐ）寸，生（shēng）成關（guān）鍵節點，在得到的截麵（miàn）上（shàng）進行平麵單元設計，主要（yào）采用手工劃分網格離散的處理形式（shì），將帶網格的截麵轉化（huà）為帶網格的物體。結合現有的（de）主軸（zhóu）約束條件，參考主軸結（jié）構設（shè）計的實際情況，進行科學的有限元分析，計算得（dé）到主軸的載荷（hé）條件，分析車銑複合加工中心（xīn）主軸的銑削力。

２．１．２特定結構的振動特征（zhēng）分析

特定結構的振動（dòng）特征分析指的是主軸結構的固有頻率以及振型，采用（yòng）模態分析的（de）形（xíng）式進行主軸結（jié）構故障診查，通過得到的固（gù）有頻（pín）率（lǜ）值分析了解主軸結構的整體剛度，分析結論：固有（yǒu）頻率越大、結構剛（gāng）度越大。分（fèn）析主軸（zhóu）結構故障產生的（de）主（zhǔ）要原因，將機床振動形式分為自由振（zhèn）動（dòng）、被動振動和自激振動三種，機床振動（dòng）可能造成刀具位移，影響（xiǎng）工件的運行速度，無法保證工件的加工精度，最終（zhōng）的機（jī）床加工精度、效（xiào）率不理想（xiǎng）的後果。建立有限元分析模型計算機床固有頻率（lǜ），是保（bǎo）證（zhèng）機床整體性能的（de）主要手段。

圖３　ＡＮＳＹＳ中主軸（zhóu）部件模型

２．２車（chē）銑（xǐ）複合加工（gōng）中心主軸結構特點

２．２．１主軸結構靜態分析

通過（guò）有（yǒu）限（xiàn）元分析技術對車銑複合加工（gōng）中心主軸結構特點進行了解（jiě），靜態分析首先需要了解主軸變化（huà）前後所產生的位移（yí）矢量，分（fèn）析車銑（xǐ）複合加工中心主軸變形的主要區域，變形問題主要出現在主軸的前（qián）端部位，這是因為（wéi）主（zhǔ）軸前端作為主要受力點。與之相反後主（zhǔ）軸端的變形問題並不嚴重，通過調查分（fèn）析表明，車（chē）銑複合加工中心主軸的（de）受力點所產生的應力最大，隨（suí）著坐標的移動，應力也逐漸向主軸後端（duān）移動。

２．２．２主軸結構模態分析

采用三維實體模態分析法，對車銑複合加工中心（xīn）主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（yǐ）此作為依據了解振動特性與響應特性，無阻尼自由振動實（shí）驗（yàn）得（dé）到車銑複合加工中心主軸的固有振動特性，如（rú）表（biǎo）１所示，在檢驗固有頻率的同時，分析振動的主要類型以及振（zhèn）動過程（chéng）中（zhōng）產生的應力數值。車銑複合加工中心主軸運行的（de）過程中，通過交變循環產生應力（lì）作用到主軸（zhóu），產生生產疲勞，對內部設備和工件造成不同（tóng）程度的破壞。因此，需要製定出合理的（de）解決方案提高主軸（zhóu）結（jié）構（gòu）強度，借（jiè）助（zhù）模態（tài）分析法計算（suàn）出主軸的固有（yǒu）頻率與臨界（jiè）轉（zhuǎn）速，通過數據（jù）調整在有效轉速＜臨界轉速的狀態下重新定位，避免對共振區域造成損耗，全麵（miàn）提高主（zhǔ）軸設計成效。

表１　電主軸的固有振動（dòng）頻率和振型

２．３主軸結構銑削靜剛度分析

銑削靜剛度分析的主要目的是，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準，在車銑複合加工中心主軸的靜剛度分析階段，結合靜載荷、位（wèi）移比值，通過模型演示，利用極（jí）端公式（shì）分析主軸剛度。車銑（xǐ）複合加工中心主軸結構中主（zhǔ）軸箱前端呈現出六角外形，傾斜分布加強筋對主（zhǔ）軸載荷進行分解，當主軸箱的（de）頭部呈現出矩形（xíng），主軸孔壁（bì）會（huì）與板壁之間相切，同時在另外一側設置加（jiā）強筋作為支撐（chēng），主軸載荷分解轉移到左壁、兩處加強筋（jīn）上。選擇合適形狀的對角筋，能夠全麵提高主軸箱的彎曲剛度，降低立柱發生變形的概（gài）率，如表２所示（shì），在主軸（zhóu）結構設計階段，通過有限元分析得到（dào）主軸剛度（dù）的極差變化，降低主軸麵內彎（wān）曲問題的發生。

表（biǎo）２　主軸剛度的極（jí）差分析表

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（yào）通過有限元分析得（dé）到準確的主軸端變形動態演示（shì），在有ＡＮＳＹＳ軟件（jiàn）中以動畫播（bō）放的形式表現出來，並做好視（shì）頻、數據記錄找到危險截麵的（de）所處區（qū）域（yù），顯示出臨近受力點（diǎn）的（de）軸肩區域工作（zuò）情況，通（tōng）過軸（zhóu）有限元模型完成２Ｄ、３Ｄ的主軸模態分析，為車銑複合加工中心主軸結構（gòu）設計提供精準（zhǔn）的參考數據，作為設計修改的基礎。

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