CK61200車床的關鍵結構設（shè）計及其（qí）主軸有限元分析
2017-2-16 來源：江蘇大學機械工程學院 作者：顧寄南，熊偉，陳功，劉家（jiā）博
摘要：論文先簡要介紹自行設計的CK61200係列(32t)重型數控車床的關鍵結構，包括（kuò）雙（shuāng）刀架及其控製係統和主軸，然後以該車床主軸為重點研究對象，在考慮加工工件自身重力的工況下，基於有限元理論。運用ANSYS Workbench軟件對其進行靜態、模態分析。在產品設計階段，分析得出主軸的最大變（biàn）形和最大應力，以（yǐ）此可以（yǐ）判斷剛度是否（fǒu）足夠；分析得出其固有頻率和振型，以（yǐ）此可以避開共振（zhèn）區域（yù）。而上述求得的主軸動靜態參數均在合理範圍（wéi）內，驗證了主軸設計的合理性，為後續進行機床的整機有限元分析及優化設計（jì）奠定基礎。
關鍵詞：CK61200車床；關鍵結構；有限（xiàn）元分析
0.引言
數控機床的高速化和高精密化是其主要發展趨勢之一。而主軸係統是數控機床的關鍵部件，其靜態、動態性能的好壞直接影響到機床的最終加工質量和切（qiē）削效率（lǜ）。隨著機床加工速（sù）度和精度的不（bú）斷提高，對其主軸（zhóu）部件也提出了更高的設計（jì）和加工製造要求。因（yīn）此，國內外眾多研（yán）究機（jī）構和科研（yán）院所對主軸部件的動靜態特性（xìng）展開了廣泛、深（shēn）入的研究。
現階段對機床主軸的結構力學分析研究主要有以下兩點不足之處：①將主軸孤立的進行分析，很少考慮在加工過程中，加工（gōng）工件（jiàn）自身的重力對主軸的影響。這種分析方法隻適用於小型機床。但是對於本研究中的重型機（jī）床而言，由於加工工件本身的質量很大，對主軸性能的（de）影響也非常大，故工件自身（shēn）重力不能忽略。②多利（lì）用經驗（yàn）公式對主軸進行計算，其結果精度難以保證。而（ér）有限元法具有很多傳統方法無法比擬的優（yōu）點，如精度高，適應性強以及計算格式規（guī）範等，尤其在分析大型複雜零部件時，優（yōu）勢更加明顯。利用有限元法可（kě）以進行靜（jìng）力學分析和（hé）模態（tài）分析，如果能夠很好的簡化（huà）處理幾何模型，選擇合適（shì）的單元類型，以及控製好邊界條件，那麽計算效率（lǜ）及結果精度都會大大地提剮引。
1.機床的關鍵（jiàn）結構設計
圖1為自行設計的CK61200雙刀架臥式重型數（shù）控車床的結構簡（jiǎn）圖，該車床的總質量約150t，其加工工件的最大質量可達60t，最大加工工件長度為6m，按照係譜的規定，最大長度可增加到8m，10m，14m三種規格。主要用來對不同材料的大直徑軸類零件、盤狀和（hé）圓筒形零件進行高速車外圓、切槽、切斷、端（duān）麵、鏜孔等半精加工和精加工（gōng），也可用於大（dà）型軋輥類零件的高速加工。兩個數控刀（dāo）架分別安裝在兩個滑板上（shàng），縱（zòng）向(z軸（zhóu）)滑板和橫向（xiàng）(x軸)滑板。在（zài）伺服電機的驅動下，橫向滑板（bǎn）分別由兩（liǎng）個滾珠絲杠帶動，縱向滑板則由齒輪齒條傳動。兩個刀架均為四工位自（zì）動回轉刀架，位於主軸的同一側，可同時進行2軸或4軸（zhóu）聯動加工（gōng）。
與普通機床相比，雙刀架數控機床可多（duō）刀同時加（jiā）工，能極大的提高工作效率，但是（shì），目前雙刀架數控機床仍沒有得到廣泛的應用，其中一個主要的原因是傳統的雙刀架數控機床大多采用兩個獨（dú）立的控製係統”J，由（yóu）於兩個刀（dāo）架的數據和加工狀態相互獨立，不能及時交換，因而兩刀不能進行相互協調，零件的加工精度很難得到保證，也（yě）容易（yì）引起加（jiā）工故障。本機床采用西門子840D雙通道、雙（shuāng）方式組控製係統，雙刀架係統連接簡（jiǎn）圖如圖2所（suǒ）示。該（gāi）係統配置了一個主軸模塊MSD和兩個雙軸（zhóu）驅動模塊FDD。每個刀架分（fèn）別配置了一個手（shǒu）持單元，兩個伺服電機，共用一個OP010、一個PCU20和一個操作麵板MCP。PLC為（wéi）該係統自帶的$7-300。通道1(第一方（fāng）式組)包括：車床主（zhǔ）軸SP、左刀架（jià）坐標軸Xl和Z1；通道（dào）2(第二方式組)包括（kuò）：車床主（zhǔ）軸sP、右刀架坐標軸胞（bāo）和z2。由於共用一個係統。上述問題得到（dào）了很好的解決，兩個刀架可（kě）以相互協調加工，極大的提高了加工的效率和精確性。另外，由（yóu）於采用了統一的標準，使得編程和操作更為簡潔方便。此外，為了保證該雙刀架機床的安全可靠性，還設置了硬限位(數（shù）控機床（chuáng）的（de）硬件限位)和軟限位(依據機床（chuáng）數據限定)雙重安全保護措施舊1。
CK61200機床主軸係統的結構如圖3所示。主軸部件可實現分段無級變速，設計的轉速範圍：500—10000r／min。該機床主軸采用（yòng）雙支撐結構，均采用NSK高精度陶瓷球軸承（chéng）。主軸前支撐采用（yòng）雙圓柱滾子（zǐ）軸承來承受徑向力，可以提高機床（chuáng）主軸徑向（xiàng）剛度及主軸的回轉（zhuǎn）精度，同時還（hái）采用了背靠背（bèi）安（ān）裝的角接觸球軸（zhóu）承來承受主軸的軸向力（lì）以及降低主（zhǔ）軸軸向竄動量（liàng），提高軸向剛度；後支撐選用帶內錐孔的圓柱滾子軸承來承受（shòu）主軸徑向力。
圖1 CK61200車床結（jié）構簡圖
圖2雙刀架係統連接簡圖
圖3主軸結構簡圖
2.主（zhǔ）軸所受載荷分析與計算
在加工過程中，主軸在低速傳動全功率的時候（hòu）力（lì）學性能最差（chà），傳遞全功率的最低轉速稱（chēng）為計算轉速_7l。為分析主軸的最大變形和應力，現計算在低速重載工況下的受力參數。電動機通過一係列的齒輪傳動將動力傳到主軸，帶動其轉動。查閱相關技（jì）術資料後可知，CK61200機床計算轉速／7,。=150r／min電動（dòng）機功率P=
3.主軸有限元模型的建立和邊界條件的設定（dìng）
現以該車床主軸為分（fèn）析對象，采用三維實體造型軟件SolidWorks和有限元分析（xī）軟件ANSYS Workbench分（fèn）別完成主（zhǔ）軸有限元模型的建立和邊（biān）界條件的設定。先（xiān）在SolidWorks中建立主軸的三維實體模型然後導入到（dào）ANSYS Workbench中，選用solid45單元（yuán）類型（xíng），自由網格劃（huá）分（fèn）完（wán）成對主軸三維模型的網格劃（huá）分，如圖4所示。材料選擇45鋼，其材料屬性：彈性模量2．09E+11N／m2，泊鬆比（bǐ）0．269．密度（dù）7．89E+03kg／m3．網格
劃分（fèn）結束後，對主軸施加約束以及載荷。根據工況，在前支撐的節點上施（shī）加（jiā）圓柱（zhù）麵約束限製菇，Y和z方 向上（shàng）的平移，在後支撐上約束Y和z方（fāng）向上的平移，由此位移約束施加完畢．齒輪和主軸連接傳動部分的節點加載E和F，，主軸前端部施加切削力。根據機床設計參數，能（néng）加工的工件最大（dà）質量為60t，根據此工況，在（zài）主（zhǔ）軸的右端（duān）中心（xīn）部位加載一個集中力，大小為最大（dà）工件重力的一半。這樣整個主軸的（de）載荷（hé）設置結束。
4.主軸靜力學分析
主軸的靜力分析主要包括強度和剛度（dù）的計算。對主軸（zhóu）進行靜力學（xué）分析後，得到了其應力（lì）圖和變形圖。主軸的應力雲圖如圖5所示，它反映（yìng）了主軸上各個單
元（yuán）的受力情況。從圖（tú）中可以看出，主軸上的最大應力為9．8x106Pa，小於材（cái）料（liào）45鋼的許用應 力，最（zuì）大應力出現在 主軸與軸肩端麵相 交的截麵上，此處受（shòu）力最大。主（zhǔ）軸的變形圖如圖6所示，它（tā）反映了主軸受力後的變形情（qíng）況。從圖（tú）中可以看出（chū），最大（dà）變形量（liàng）為（wéi）1．247×10～mm，最大變形（xíng）處位於右端端麵處。
根據上述分析得出的結果，主軸上受到的最大應力要小於45鋼材料的許用應力；主軸的最大變（biàn）形量為1．247×10一mm，也小於機床設計手冊推薦的值，由此可以判斷（duàn）機床主軸的強度和剛度（dù）是滿足工作要求的。
5.主軸模態分析
根（gēn）據有限元理論（lùn），主軸的（de）動力學（xué）方程如下：
結構（gòu）的（de）振動可以視為各階（jiē）振型的線性疊加，而（ér）低階振型比高階振型對結（jié）構的振動影（yǐng）響大，低階振型對（duì）結構（gòu）的動態特性（xìng）起決定作用，結構的振動特性分析通常取前5階¨1|，對（duì）主（zhǔ）軸（zhóu）進行模態分析後，得到（dào）了其前4階模態分析（xī）結果，見圖7～圖10和表1。
表（biǎo）1主軸模態分析結果
表2主軸（zhóu）各階臨界轉速
主軸（zhóu）的最高工作轉速為10000 r／min，遠遠小於臨界轉速。因此該主軸設計合理，能有（yǒu）效地避開共（gòng）振區域，保證主軸的加工精度。
6.結論
雙刀架數控機床可多刀同時加工（gōng），能極大的提高工作（zuò）效率，本（běn）機床（chuáng）采用的西門子840D雙通道、雙方式組（zǔ）控（kòng）製係（xì）統，由（yóu）於共用一個係統，很好地（dì）解決了兩（liǎng）個刀架協調加工地難題，極大的提高了加工的效率和精確性，另外，由於采用了統一的標準，使得編程（chéng）和操作更為簡潔方便。此外（wài），為了保證該雙刀架機床工作時的安全可靠性（xìng），還設置了硬（yìng）限位和軟限位（wèi）雙重安全保護措施（shī）。以車床主軸為重點研究對象，利用（yòng）ANSYS Work—bench有限元分析軟件建立了主（zhǔ）軸模型，對其進行了靜力分析和模態分析，在考慮（lǜ）工件重（chóng）力的工況下，得到（dào）更精確的分析結（jié）果。驗證（zhèng）了主（zhǔ）軸設計的合（hé）理性，在設計階段就對機床的（de）性能作出預判，縮短產品的研發（fā）周期，提高效率，節省成（chéng）本，增（zēng）加企業的市場競爭力（lì）。同時該機整機（jī）有限元分析及（jí）優（yōu）化設計奠定了（le）基礎。
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