高速机床主轴部件有限元分析

收稿日期:2007-11-04

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50475052)#

作者简介:张耀满(1972-),男,辽宁沈阳人,东北大学讲师,博士;刘永贤(1945-),男,辽宁台安人,东北大学教授,博士生导师#

第29卷第10期2008年10月东北大学学报(自然科学版)Journal of Northeastern U niversity(Natural Science)Vol 129,No.10Oct. 2008

高速机床主轴部件有限元分析

张耀满1

,刘春时2

,谢志坤2

,刘永贤

1

(1.东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳 110004; 2.沈阳机床(集团)有限责任公司,辽宁沈阳 110142)

摘 要:在对主轴部件分析模型进行研究的基础上,采用弹簧阻尼单元模拟轴承支承的方法,建立了主轴部件动力学分析有限元模型#分别建立了采用两组和三组弹簧阻尼单元,且弹簧阻尼单元沿圆周方向以不同角度布置的机床主轴有限元模型,分析了不同支承情况及弹簧阻尼不同布置角度对主轴模态分析的影响#在对比分析的基础上,确定了合理的分析模型#以沈阳第一机床厂研制和开发的CHH6125高速数控机床主轴为对象,对主轴部件进行有限元模态分析和谐响应分析,并将其和机床试验的结果进行对比,验证了有限元分析模型的正确性#

关 键 词:数控机床;高速机床;主轴部件;有限元分析;动态性能

中图分类号:T G 502.14 文献标识码:A 文章编号:1005-3026(2008)10-1474-04

FEA on the Spindle Assembly of High Speed Machine Tool

Z H AN G Yao -man 1,LI U Chun -shi 2,XIE Zhi -kun 2,LI U Yong -x ian 1

(1.Schoo l of M echanical Engineering &Automat ion,No rtheastern U niv ersity,Shenyang 110004,China; 2.Shenyang M achine T ool (Group)Co.L td.,Shenyang 110142,China.Cor respondent:ZHAN G Yao -man,E -mail:zhymlxl @)

Abstract:The finite element dynam ic analysis model of the spindle assembly was developed by taking the advantage of the spring -damper elements to simulate the bearing supports.The FEA model w ere developed first by introducing 2or 3groups of circumferential spring -damper elements w hich were arranged at different angle around the spindle,then the effect of different supporting conditions and different arrang e angles on the modal analysis of the spindle assembly w ere comparatively discussed to select the most rational FEA modal.The modal analysis and harmonic analysis were both made to confirm the dynamic characteristics of spindle assembly of CHH 6125high -speed NC machine tool developed and manufactured by Shenyang No.1Plant of M achine T ools,and the results w ere com pared w ith the testing ones.The correctness of the FEA model is available to the dynamic perform ance of the spindle assembly.Key words:NC machine tool,high -speed machine tool,spindle assembly ,FEA,dynamic performance

数控机床的高速化是其主要发展趋势之一#主轴部件是数控机床最为关键的部件,其动、静态性能对机床的最终加工性能有非常重要的影响[1]#随着机床速度和精度的提高,对其关键部件的静动态性能提出了更高的设计和加工制造要求#因此,国内外研究机构和科研院所对主轴部件

的动、静态性能展开了广泛、深入的研究[2-4]

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数控机床的主轴结构抵抗受迫振动一般都没有问题,因此对主轴部件的研究主要是确定不产

生切削自振的条件#由于切削自振频率往往接近主轴部件横向振动的低阶固有频率,所以可以认为主轴部件的低阶横向振动模态是决定其切削自振的主要模态#在分析主轴部件时,主轴前端切削部位激振点的动柔度即反映了主轴部件的抵抗切削自振的能力#

研究表明:对于中型车床在不同频率的动载荷作用下,各个部件反映在刀具与工件切削处的综合位移中主轴部件所占比例最大#因此,通过对

高速数控机床的主轴部件的仿真分析方法进行研究,在产品设计阶段,分析主轴部件的动静态性能,对于提高机床产品的设计水平具有非常重要的理论和现实意义#

以沈阳第一机床厂生产的某高速数控车床为研究对象,研究了采用弹簧阻尼单元来模拟轴承支承的有限元模型的建立方法,分别进行了模态分析和谐响应分析,得到了主轴和主轴部件的动态特性#最后结合机床性能试验探讨并验证了边界条件参数的合理选择#通过有限元分析和机床性能试验,验证了所采用的有限元分析方法的可行性,为以后进行类似的主轴部件有限元分析打下了基础#

1 高速机床主轴结构

以沈阳第一机床厂生产的CHH6125机床主轴为研究对象#该机床采用对置双主轴结构,两主轴均采用内装式电主轴,并同时配备了伺服动力刀架,是具有钻、铣削功能的高速、高效车削中心[1]#该机床第一主轴的结构如图1所示

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图1 机床第一主轴结构

F i g.1 Constructi on of the first spindle ass embly

主轴轴承采用NSK 高精密陶瓷球轴承#主轴前支承采用内锥孔双圆柱滚子轴承来承受径向力,提高机床主轴径向刚度和主轴回转精度,采用背靠背安装的角接触球轴承来主要承受轴向力,降低主轴轴向窜动量,提高轴向刚度;后支承采用内锥孔的双圆柱滚子轴承,起到径向支承作用#

2 有限元模型的建立

在建立有限元模型的过程中,采用弹簧-阻尼单元模拟轴承的弹性支承,每个支承采用4个沿圆周方向均匀分布的弹簧-阻尼单元来模拟[5-6]#分别建立了使用两组弹簧和三组弹簧来模拟主轴支承情况的模型,如图2所示#三组弹簧模型在两组弹簧模型的基础上,增加了单独对角接触轴承的模拟,位置取为两个角接触轴承之间的中截面处,用以考察角接触球轴承对主轴横向

振动特性的影响#

图2 主轴支承弹簧-阻尼模型

Fig.2 Model of spring -dam per elem ents of

s pindle s upport (a))两组弹簧支承;(b))三组弹簧支承#

由于主轴轴承的轴向刚度很大,阻尼对横向振动特性影响很小,所以在建立有限元模型中只考虑径向刚度影响,利用4个沿周向均布的弹簧-阻尼单元来模拟轴承支承#采用两组弹簧阻尼单元模型的前支承处弹簧刚度为0114GN/m,后支承的弹簧刚度为0111GN/m;采用三组弹簧阻尼单元模型的前支承处弹簧刚度为0114GN/m,中间支承刚度为0105GN/m,后支承处弹簧刚度为0111GN/m #

主轴零件采用Solid 92单元#主轴轴承支承部分模型是在每个圆周截面上沿圆周均布4个弹簧阻尼单元,弹簧单元的长度按照各处轴承的内外圈半径确定#外圈节点利用关键点(key points)建立,内圈节点采用硬点(hard PT )建立,同时保证弹簧单元的划分数目为1#所有弹簧阻尼单元外部4个节点限制全部自由度,前端内锥孔轴承支承内部4个节点限制轴向自由度#三组弹簧阻尼单元情况下的第一主轴有限元模型如图3所示#

图3 三组弹簧阻尼单元有限元模型

Fi g.3 FEA model of 3-group spring -damper elements

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第10期 张耀满等:高速机床主轴部件有限元分析