車銑複合加工（gōng）中心（xīn）主軸結構的有限元分析
2022-5-30 來源：齊齊哈爾工（gōng）程學院 作者：謝偉東（dōng）
摘要： 車銑複合加工（gōng）中心主軸是係統結構中的關鍵（jiàn）性零件，機床在（zài）運行（háng）過程中會受到不同（tóng）程度的切削力（lì），想要防止機床變形問（wèn）題的發生率，需要通過科學（xué）的（de）結構設置保證機床的剛度（dù），當承受較大的切削力時，依然保（bǎo）有較高的加工精（jīng）度，降低自激振動（dòng）問題的發生。采（cǎi）用有限元分析技術創建係統模型，通過車銑複合加工中心主軸結（jié）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（zhǔ）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重要（yào）環節（jiē）。車銑複合加工中心主軸（zhóu）（電主軸）結構的（de）有限元分析，主要（yào）研究（jiū）目（mù）的是提高機床運行的穩定性，保證加工精度和主（zhǔ）軸（zhóu）剛度。
關鍵詞：車銑複（fù）合加（jiā）工中心；主軸結構；有限元分析
０ 引言（yán）
車銑複合加工中心主軸結構包括：主軸電機、主軸和軸承等部分，主軸作為機床的核心部件，其結構性能對在整台機（jī）床的運行穩定性有著重要影響，想要（yào）全（quán）麵提高切削速度、保證（zhèng）機（jī）械加（jiā）工精度，就需要建（jiàn）立有（yǒu）限元分析模型，分析主軸結構性能。主（zhǔ）軸結構設計（jì）中的技術手段相互製約，解決速度與剛度之間的矛盾，借助有限元分析法的便利性和（hé）靈活性，對車銑複合加（jiā）工主軸結構進行分析，通常情況下安裝兩個主軸，實現在不停車（chē）狀態下的自動對接轉移，自動（dòng）化完成絕大部分的工件加工工作，提高加工（gōng）效率。
１、車（chē）銑複（fù）合（hé）加工中心主軸結構
１．１ 車銑複合加工中心主軸結構
結合軸承結構的主要特點，車銑複合加工中心主軸通常 隻存在徑向剛度，簡化處理（lǐ）後發現徑向壓（yā）縮彈簧（huáng）。車銑複合加工中心主軸簡（jiǎn）化後的力學模型分析過程中，可以有選擇的忽略軸承剛度與轉速、負荷之間的關係，假設（shè）軸（zhóu）承的剛度為標準常數進行（háng）後續的有限元分析工作，這一過程中省略了工（gōng）作人員的計算量，結合主軸結構類型，主要采（cǎi）用滾動軸承，省略（luè）阻力（lì）因素分析並不會對最終的分析結果產生影（yǐng）響。如圖1所示，簡化主（zhǔ）軸剛度細節部位進行整體顯示（shì）。
１．１．１ 軸殼
在進行主軸結構分（fèn）析的過程中，軸（zhóu）殼作（zuò）為主要部件之間，其尺寸與位置會對主軸設計精（jīng）度產生影響，通過安裝過程的查看，設計人員將軸承座孔安（ān）裝到軸（zhóu）殼上，在（zài）進行電機定子安裝的過程中，需要保持一端處（chù）於開放狀態。一些大型（xíng）的主軸結構中，為了安裝便利，會（huì）在軸殼兩端設計的過程中采用開放型設計原（yuán）理，提高（gāo）主軸的運行（háng）速度，保證運行功率，其中轉（zhuǎn）子直徑要高（gāo）於軸承外徑，實現對機床裝配精度的控製，後軸承安裝區域（yù）提供無間隙配合。
圖１ 車（chē）銑複（fù）合加工（gōng）中心（xīn）主軸簡化後的力學模型
１．１．２ 轉軸
轉軸屬於主軸的重要回轉體，轉（zhuǎn）軸的實際精（jīng）度（dù）會對主軸的整體精度產生影（yǐng）響，采用的轉軸對形位公差（chà）、尺寸精度有著高質量要求，轉軸（zhóu）在高速（sù）運轉的過程中，受到偏心質量的影響產生不規則振動，無法保證機（jī）床動態性能的穩定性（xìng），需要借助有限（xiàn）元測試轉（zhuǎn）軸的動平衡，在測試的過程中（zhōng）一部分轉軸上的零件要同時接受動平衡測試。
１．１．３ 軸承
精密軸承作為主軸的核心支承部件，其尺寸、位置（zhì）和功能會對（duì）主軸最高轉速產（chǎn）生影響，因此在主軸結（jié）構設計的（de）過（guò）程（chéng）中，需要選擇高速性能、動負荷承（chéng）載強以及（jí）發熱量小的（de）精（jīng）度軸承，其中常見的類型（xíng）有：動靜壓軸承、磁浮軸承等。
１．２ 主軸電機有限（xiàn）元（yuán）分（fèn）析
１．２．１ 電機的有限元仿真
在進行主軸（zhóu）電機有限元分析的過程中，采（cǎi）用仿真處理的方式，主要的計算對象是電（diàn）路、磁路，以此為基（jī）礎，通過 Ａｎｓｏｆｔ中的（de） ＲＭ ｘｐｒｔ模塊（kuài）進行電機結構選擇，參與到電磁設（shè）計分析的（de）過（guò）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（èr）維瞬態場（chǎng）。加載幾何模（mó）型的同時進行模型（xíng）材料定義，分別設定電機主從邊界條件，采用網格劃分的形式得到各項信（xìn）息，轉子（zǐ）受（shòu）力過程中對氣（qì）隙（xì）網格具有一定（dìng）的敏感性，因此，在得到的最小氣隙處分別設置了多（duō）層網格，計算出主軸電機電磁轉矩，了解主軸電機的電流變（biàn）化流程。
１．２．２ 二維電機瞬態分析
將已經構建完成的仿真模型輸入到 Ｍａｘｗｅｌｌ２Ｄ 瞬態（tài）場，利（lì）用數據分析軟（ruǎn）件定義電機內部的主材料、設定精準度的邊界條件，合理添加激勵源，做好網格劃分處理。如（rú）圖２所示（shì），計算磁鏈在經過轉（zhuǎn）子（zǐ）齒（chǐ）麵時的疏密程度，分（fèn）析轉（zhuǎn）子齒部尺（chǐ）寸對最終分析結果（guǒ）的影響，並結合呈現的數據效果圖示，得出轉子電阻與轉子（zǐ）齒部尺（chǐ）寸的關係，保證漏抗（kàng）與加工速度相契合。在主軸電機結構設計的過程中滿足機（jī）床運行速度範圍內的功率、扭矩需求，全麵（miàn）提高轉子（zǐ）旋轉階段強度。
圖２ 雙層（céng）繞組
１．３ 主軸電機繞組設計
主軸（zhóu）電機的定子繞組為勵磁繞組，在主軸結構設計（jì）的過程中電機（jī）繞組設計質量會影響到主軸動力性能，車銑複合（hé）加工中心主軸電機繞組設計過程中采用單層繞組，需要在每個槽放置（zhì）線圈邊。單層繞組的線圈槽數量較少，實現對槽麵積的綜合利用，繞組的斷口接線（xiàn）長度（dù）有限，無法（fǎ）隨意進行節距調整，繞組的端部交疊安裝，具有較高的穩定（dìng）性。在（zài）進行繞組類（lèi）型選擇的過程中，要結合主軸結構特點進行綜合（hé）考量，車銑複合加工中心主軸的（de）定子槽較淺，主要采用雙層繞組，在嵌線階段會遇到（dào）很多問題，繞組的散熱性能較差，但雙層繞組的（de）應用（yòng）能夠（gòu）降低（dī）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（de）建（jiàn）立
車（chē）銑複（fù）合加工中心主軸定（dìng）子繞組為三相１２／８極結構（gòu）ＳＩＴＭ，結（jié）合ＳＲＭ定轉子外徑與內徑的數據信息（xī），對定轉子極弧係數、氣隙等數據進行調整，選（xuǎn）擇合適的零件（jiàn）尺寸完成主軸結構設計與（yǔ）安裝，在計（jì）算機數據係統中生成了幾何模（mó）型進行有限元分析，從機床控製接口輸入幾何模型，利用瞬態模塊完成二維時（shí）步有限元計（jì）算。通過計算機軟件定義外加（jiā）電路，分別建立功率變換器分（fèn）析模型、驅動電路分析模型，彼此之間相互驗證形成仿真體係。
１．４．２ 三（sān）角形單元網（wǎng）格剖分
定子繞組有限元分析的前提是電機（jī）模型的建立，定義運動邊（biān）界的限製條件，通過有限元算法分析（xī）的時間步長，了解電（diàn）機係統網（wǎng）格的劃分情（qíng）況。Ｍａｘｗｅｎ能夠自動剖分有限元網（wǎng）格，在實際（jì）分析計（jì）算（suàn）過程中，當計算精度（dù）無法滿足分析需求時，需要借助手工操作的方式，全麵提高氣隙區域的網格密度（dù）。三角（jiǎo）形（xíng）單元網格（gé）剖分形式的（de）運用，劃（huá）分過程十分仔（zǎi）細，網（wǎng）格（gé）的剖分精度較高，但需要機器保（bǎo）持高運行時長。在進行（háng）磁（cí）場能量集中、磁場變化（huà）快的氣隙區域，要確保網格劃分的精細程度（dù），提高計（jì）算精度的同時，完（wán）成磁場變化不明顯的電機區域網格劃分。有限元計算需要（yào）具備理想的邊界條件（磁通（tōng）平（píng）行（háng）邊界），在進行繞組激（jī）勵源輸入的過程中，要（yào）通過外電路（lù）完成輸入，建（jiàn）立（lì）ＳＲＭ 驅動電路分析模型。
２、有限元（yuán）分析車銑複（fù）合加工中心主軸結構
２．１ 有（yǒu）限（xiàn）元分析的主要流程
想要保證（zhèng）係統運行的穩定性、分析結果（guǒ）的準確性，就需要結合車銑複合加（jiā）工中心主軸的（de）實（shí）際構成情況，建立三維實體模型（xíng），在（zài）此基礎上進行靜態分析，適當（dāng）地對主軸增加約束力和（hé）載（zǎi）荷重量，根據有限（xiàn）元模型顯示的各項數據信息，在 ＡＮＳＹＳＹ 裏求解，分析機床主軸（zhóu）的廣義特征。
通過（guò）合理計（jì）算得到車銑複合加工中心主軸的有限元（yuán）節點，分（fèn）析有（yǒu）限（xiàn）元模型坐標係中（zhōng）產生的變形情況和移動情況（kuàng），借助（zhù）表格與色度圖的顯示（shì）形式，向計算人員展示設備與零件的位移數值與（yǔ）扭轉變形的程度。分析（xī）多個節點的（de）變（biàn）形強弱，對主軸運行階段承受（shòu）的應（yīng）力大小進行計算（suàn），同時（shí）得到車（chē）銑複合加工中心主軸應力的主要受力點，分析多個節點的位移變化，將得到的數值代入到徑（jìng）向剛度計算公 式：Ｋｒ＝Ｆ／Ｗ ，完成（chéng）車銑複合（hé）加工中（zhōng）心主軸剛 度計算。
２．１．１ 主軸部件有（yǒu）限元模型
車銑複合加工中心主軸普（pǔ）遍為（wéi）階梯空心軸（zhóu），在進（jìn）行主軸部件（jiàn）動態（tài）、靜（jìng）態設計的過程中，需要利用有（yǒu）限（xiàn）元分析軟件（ＡＮＳＹＳ）對主（zhǔ）軸部件的工作情況進行分析，根據運行時期工件的具體表現，製定主軸部件有限元模型，對分析流程進行分割。一般情況下，車銑複合（hé）加工中心主軸部件構成，需要前後兩套角與陶瓷球軸（zhóu）承建立支撐關係，保證前軸承的固定狀態，能夠完成承受徑向載荷、雙向軸向載荷，後軸承在定向階段會產生輕微的位移，在進行主軸工（gōng）作熱伸長的補償（cháng）處（chù）理階段，前後軸承在完成定位轉移的同時，將盈套（tào）固定在主軸區間。電機轉子改變鍵聯接的狀態，轉移到前後（hòu）軸承之間，轉矩的傳遞工作需要借助壓配合的摩擦力（lì）完成。
主軸部件建模的過程中，需要通過有限元（yuán）分析 ＡＮ－ＳＹＳ，計算簡化處理後實體模型的具體尺寸，生成（chéng）關鍵節點，在得到的截（jié）麵上進行平麵單元設計（jì），主要采用手工劃分網格離散（sàn）的處理形式，將（jiāng）帶網格的截麵轉化為帶網格的物體。結（jié）合現有的主軸約束條件，參考主軸結構設計的（de）實際情況，進行科學的有（yǒu）限元分析，計算得到主軸（zhóu）的載荷條（tiáo）件，分析車銑複（fù）合加工中心主（zhǔ）軸的銑削力。
２．１．２ 特定結構的振動特征（zhēng）分析
特定結（jié）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（xíng），采用模態分析的形（xíng）式進行（háng）主軸結構故障診查，通過得到的固有頻率（lǜ）值分（fèn）析了（le）解主軸結構的整體（tǐ）剛度，分析結（jié）論（lùn）：固有頻率越大、結構剛度越大（dà）。分析主軸結構故障產生的（de）主要原因，將機（jī）床振動形式分（fèn）為自由振動、被動振動和自激振動（dòng）三種，機床振動可能造成刀具位（wèi）移，影響工（gōng）件的運行速度（dù），無法保證工件的（de）加工精度，最終的機床加工精（jīng）度（dù）、效率不理想的後果（guǒ）。建立有限元分析模型計算機床固有頻率，是保（bǎo）證機床整體性能的主要手段。
圖３ ＡＮＳＹＳ中主軸部件模型
２．２ 車銑複合加（jiā）工（gōng）中心主軸結構特點
２．２．１ 主軸結構靜態分析
通過有限元分析技術對車銑複合加工中心主軸結構特點（diǎn）進行了解，靜態分析首先需要了解主軸變化前後所產生的位移矢量，分析車銑複合加工中心主軸變形的主要區（qū）域，變形問（wèn）題主要出現在主軸的前端部位，這是因為（wéi）主（zhǔ）軸（zhóu）前端作為主要受力點（diǎn）。與之相反後主軸端的變形問題並不嚴重，通（tōng）過調查（chá）分（fèn）析表（biǎo）明，車銑複合加工中心主軸（zhóu）的受力點所產生的應力最（zuì）大，隨著坐（zuò）標的移動，應力也逐漸向主（zhǔ）軸後端移（yí）動。
２．２．２ 主軸結構模（mó）態分析
采用三維實體模態分析法，對車銑複合加工中心主軸的運行狀態（tài）進行觀（guān）察，主要的分（fèn）析內容是，機床高速銑頭的固有振動頻（pín）率，以此作為依據了解振動特性與響應特性，無阻尼（ní）自由振動實驗得到車銑複合加工中心主軸的（de）固有振動特性，如表（biǎo） １ 所示（shì），在檢驗固有頻率的同時，分析振動的主要類型以及振動過程中產生的應（yīng）力（lì）數值（zhí）。車（chē）銑複合加工中心主軸運行的過程中，通過交變（biàn）循環產生應力作用到主軸，產生生產疲勞，對內部設（shè）備和工件造成不同程度的破壞。因此，需要製定出合理的解決方案提高主軸結構（gòu）強度，借助模態分析法計算出主軸（zhóu）的固有頻率與臨界轉速，通過數據調整在有效轉速 ＜ 臨界轉速的狀態下重新定位，避免對共振區域造成損耗，全麵提高主軸設計成效。
表１ 電（diàn）主軸的固有振動（dòng）頻率和振型
２．３ 主軸（zhóu）結構銑削靜剛（gāng）度分析
銑削靜剛度分析的主要目的是，了解機器在運（yùn）行過程（chéng）中，各項數據是否滿足機床（chuáng）精度加（jiā）工標準，在車銑複合加（jiā）工中心（xīn）主軸的靜剛度分析階段，結合靜載荷、位移比值（zhí），通過（guò）模型演示（shì），利用極端公式分析主軸剛度。車銑複合（hé）加工中（zhōng）心主軸結構中主軸箱前端呈（chéng）現出（chū）六角外形，傾斜分布加強筋對主（zhǔ）軸載荷進行分解，當主軸箱的頭部呈現出矩形，主軸孔壁會與板壁之（zhī）間相切，同時在另外一側設置加強筋作為支撐，主軸載荷分解（jiě）轉移到左壁、兩處加強筋上。選擇合（hé）適形狀的對角筋，能夠全麵提高主（zhǔ）軸箱的彎曲剛度，降低立柱發生變（biàn）形的概（gài）率，如表（biǎo） ２ 所示，在主軸結構設計階段，通（tōng）過有限元分析得到主軸剛度的極差變化，降低主軸麵內彎曲（qǔ）問題的發生。
表２ 主軸（zhóu）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（jué）的過程中，需要通過有限元分析得到準確的主軸端變形動（dòng）態（tài）演（yǎn）示，在有 ＡＮＳＹＳ軟件中以（yǐ）動畫播放的形（xíng）式表現出來，並（bìng）做好視頻、數據（jù）記錄找到危險截麵的所處區域，顯示出臨近（jìn）受（shòu）力點（diǎn）的軸肩區域工作情況，通過軸有限（xiàn）元模（mó）型完成２Ｄ、３Ｄ 的主軸模態分（fèn）析，為車（chē）銑複合加工中心主軸結構設計提供精準的參考數（shù）據，作為（wéi）設計修改的基礎。
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