基于ANSYS的铣削电主轴静动态性能分析

设计与研究ＤｅｓｉｇｎａｎｄＲ嘲咄基于ＡＮＳＹＳ的铣削电主轴静动态性能分析＋张行①陶征①张安清②汪玉平②刘德平①（①郑州大学机电一体化研究所，河南郑州４５０００１：②安阳鑫盛机床股份有限公司，河南安阳４５５０００）摘要：以安阳鑫盛机床股份有限公司生产的ＣＸｌｌ０１００立式车铣复合加工中心铣削电主轴为对象，研究了建立铣削电主轴部件有限元模型的方法，以及采用弹簧阻尼单元模拟主轴轴承支撑的方法。

并在ＡＮＳＹＳ分析软件中对主轴部件进行了静力学分析、模态分析以及谐响应分析等。

为主轴优化设计和再制造设计打下了基础。

关键词：电主轴有限元分析ＡＮＳＹＳ动态性能中图分类号：ＴＧ５０２．１４文献标识码：ＡＳｔａｔｉｃａｎｄＤｙｎａｍｉｃＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＭｉｌｌｉｎｇＭｏｔｏｒｉｚｅｄＳｐｉｎｄｌｅＢａｓｅｄｏｎＡＮＳＹＳＺＨＡＮＧＨａｎｇ①。

ＴＡＯＺｈｅｎｇ①。

ＺＨＡＮＧＡｎｑｉｎｇ②，ＷＡＮＧＹｕｐｉｎｇ②，ＬＩＵＤｅｐｉｎｇ①（（￡）ＭｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，ＺｈｅｎｇｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ４５０００１，ＣＨＮ；（窑）ＡｎｙａｎｇＸｉｎｓｈｅｎｇＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌＣｏ．，Ｌｔｄ．。

Ａｎｙａｎｇ４５５０００，ＣＨＮ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴａｋｉｎｇｔｈｅｍｉｌｌｉｎｇｍｏｔｏｒｉｚｅｄｓｐｉｎｄｌｅｏｆＣＸｌ１０１００ｐｒｏｄｕｃｅｄｂｙＡｎｙａｎｇＸｉｎｓｈｅｎｇＭａｃｈｉｎｅＴｏｏｌＣｏ．，Ｌｔｄ．船ａｎｅｘａｍｐｌｅ－ｓｔｕｄｉｎｇｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｓｐｒｉｎｇ－ｄａｍｐｅｒｅｌ—ｅｍｅｎｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｐｉｎｄｌｅｂｅａｒｉｎｇｓｕｐｐｏｒｔ．Ｔｈｅｓｔａｔｉｃａｎａｌｙｓｉｓ－ｍｏｄｅｌａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｈａｒｍｏｎｉｃｒｅｓｐｏｎｓｅａ．ｎａｌｙｓｉｓｗｅｒｅｄｏｎｅｂｙｍｅａｎｓｏｆＡＮＳＹＳ．Ｉｔｌａｙｓａｂａｓｅｆｏｒｏｐｔｉｍａｌｄｅｓｉｇｎａｎｄｒｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＭｏｔｏｒｉｚｅｄＳｐｉｎｄｌｅ；ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＡｎａｌｙｓｉｓ；ＡＮＳＹＳ；ＤｙｎａｍｉｃＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃＣＸ系列立式车铣复合加工中心是国家“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项课题之一，是国家重点攻关项目。

该系列产品研制成功，实现规模化制造后，将为我国军工、航天、汽车、医疗机械等行业的发展开辟国内选择的新途径，为国内机床出口创汇增加新的亮点。

高速电主轴是实现机床高速化的重要部件，它的性能在一定程度上决定了加工机床的整体发展水平，因此高速加工机床对电主轴的技术指标有着苛刻的要求，使其不同于传统的主轴系统，其安全性和可靠性等动态性能也成为结构设计和机床运行中的首要问题。

对高速电主轴的研究具有重要的理论和现实意义。

（Ｘ／Ｙ／Ｚ轴）≥６０ｍ／ｒａｉｎ。

图１为该车铣复合加工中心摆动铣头的虚拟装配图。

铣削电主轴结构如图２所示，为了适应高速加工的要求，主轴刀具接口为ＨＳＫ。

主轴部件由前后两套角接触球轴承支承。

轴承为德国ＦＡＧ公司生产的ＸＣＢ系列超精密主轴轴图１摆动铣头装配图承。

为了减小主轴轴向窜动量，提高轴向刚度，主轴前后支承处的角接触球轴承均采用背靠背的安装方式。

１摆动铣头及其主轴结构２有限元模型的建立以安阳鑫盛机床股份有限公司生产的ＣＸｌｌ０１００立式车铣复合加工中心的摆动铣头为研究对象。

电主轴的最高转速≥１２０００ｒ／ｒａｉｎ，进给系统的快移速度由图２可知，高速铣削电主轴是一个结构复杂的系统，因此很难对其建立一个准确的解析动力学模型。

鉴于上述原因以及有限元理论分析的特点，在本文中：ｉｔ国家重大科技专项“ＣＸ系列立式车铣复合加工中心高速条件下机床性能研究”（编号：２００９ＺＸ０ｄ００１－０３３）・７０・馋赳２０之１１笔错万方数据选择基于ＡＮＳＹＳ有限元分析软件对高速铣削主轴进行有限元建模并进行相关分析。

在电主轴系统有限元建模过程中，对主轴实体模型进行了必要的简化，忽略了螺纹、退刀槽、倒角、圆角等局部细节特征。

在轴承安装的中间截面处设置弹簧阻尼单元来模拟轴承的弹性支承。

图３为电主轴的等效动力学模型。

图２电主轴结构示意图图３电主轴等效动力学模型图在建立电主轴有限元模型时只考虑主轴径向刚度的影响。

因为主轴为中心对称结构，所以本文研究选取在主轴的轴承安装位置处沿圆周方向均布４个弹簧阻尼单元来模拟轴承的弹性支承，如图４所示。

ＡＮＳＹＳ有限元分析软圈４弹簧阻尼单元布置图件中提供了模拟弹簧与阻尼的单元ＣＯＭＢＩＮ１４，该单元在一维、二维或三维应用中有轴向拉压的或扭转的能力。

主轴零件采用Ｓｏｌｉｄ９２单元，该单元为１０节点四面体单元。

Ｓｏｌｉｄ９２单元具有二次位移型函数，划分网格的能力比较强，非常适合于模拟不规则形状的结构（例如由各种ＣＡＤ／ｃＡＭ系统产生的网格模型）。

按照主轴各处所安装轴承的内外圈半径来确定ＣＯＭＢＩＮ１４单元的长度。

轴承外圈节点可以利用关键点建立，内圈节点则必须采用硬点建立。

所有ＣＯＭＢＩＮ１４单元的外部节点采用全约束限制其所有自由度。

内部节点保持为自由状态。

有限元模型如图５所示。

该主轴组件有限元模型共有５４４３９个节点，３３９３５个单元。

其中共有３３９１９个Ｓｏｌｉｄ９２单元，１６个ＣＯＭＢＩＮ１４单元。

主轴材料为竹刹２０“１１ｉｔ－求ｉｌ惜、、～／７ＭＤｅＳｉｇｎａｎｄＲ嘲撇设计与研究４０Ｃｒ，其参数为：杨氏模量Ｅ＝２０６ＧＰａ；密度Ｐ＝７９００ｋｇ／ｍ３；泊松比肛＝０．３。

在ＡＮＳＹＳ分析软件中赋给模型材料号，计算得主轴模型的质量为２８．５９０８ｋｇ。

查阅设计图纸，该主轴的质量为２８．３ｋｇ，由于在建模过１１ｔ５主轴及轴承的有限元程中进行ｒ必要的简化处ｍ型ｌｔｉ理，所以该主轴的模型是合理的。

弹簧阻尼单元ＣＯＭＢＩＮ１４需要输入弹簧刚度和阻尼参数，本主轴采用由德国ＦＡＧ公司生产的超精密主轴轴承，轴承型号分别为ＸＣＢ７０１７Ｃ．Ｔ．Ｐ４Ｓ和ＸＣＢ７０２１Ｃ．Ｔ．Ｐ４Ｓ。

由ＦＡＧ公司提供的轴承参数得到，主轴轴承的轴向刚度Ｇ。

分别为１３０．５Ｎ／ｌ上ｍ和１６５．２Ｎ／¨ｍ。

而主轴的径向刚度Ｃ，可根据主轴轴承的安装布置形式，由轴向刚度估算得到。

如图６所示，在该电主轴结构中主轴轴承是背靠背形式安装，压力角Ｏｔ＝１５。

，轴承的径向刚度Ｃ，一６・Ｃ。

经计算轴承的径向刚度分别为７８３Ｎ／斗ｍ和９９１．２Ｎ／ｐ，ｍ。

图６轴承径向刚度与安装布置形式的关系由于阻尼对横向振动固有频率的影响很小，所以各支承处的弹簧阻尼单元的阻尼都忽略不计。

３主轴静力学分析在工程实践中，机床因主轴疲劳断裂而失效的事例极为少见。

但是因为主轴在切削力作用下变形过大，或产生切削自激振动而使机床不能满足生产要求的事例是较多的。

因此，铣削电主轴单元静力学设计的着眼点是主轴的静刚度，简称为主轴刚度。

主轴刚度与负载能力及抗振性能密切相关，是电主轴单元重要的性能指标。

主轴刚度又分为主轴的轴向刚度和弯曲刚度，通常情况下，主轴的弯曲刚度远比轴向刚度重要。

主轴单元的弯曲刚度Ｋ定义为使主轴前端产生单位径向位移６时，在位移方向所需施加的力，，，即：Ｋ＝Ｆ，／３（Ｎ／ｐＬｍ）主轴的弯曲刚度主要由主轴单元的悬伸量、跨距、几何尺寸、主轴材料的物理性能及主轴支承轴承的刚・７ｌ・万方数据设计与研究Ｄｅｓ啪ａｎｄＲ测咄度等因素决定。

本论文的研究是建立在高速电主轴单元轴承正常的预紧和配置方式的基础上，利用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ对电主轴进行建模仿真，得出电主轴的静刚度。

３．１切削力载荷的计算电主轴的静载荷主要考虑为切削加工时的切削力，由于联合单位安阳鑫盛机床股份有限公司的ＣＸＩ１０１００立式车铣复合加工中心样机还在试制阶段，在缺少实验数据的条件下，只能采用经验类比的方法确定切削力。

目前，在生产实际中计算切削力的经验公式町分为两类：一类是指数公式；一类是按单位切削力进行计算。

用指数公式计算切削力，在金属切削中得到广泛的应用。

常用的指数公式的形式如下：主切削力ｔ＝９．８ｌＣＦ．ｏ，’ｒｆ＂：（６０ｖ）”ｚＫＦ，背向力Ｆ，＝９．８１Ｃ，。

口ＰｘＦｖＦ，（６０ｖ）“０Ｋ，，进给力只＝９．８１ｃＦ，ｏ，３ｙ’ｚ（６０ｖ）８‘Ｋ一式中，ＣＦ，、Ｃ凡、ＣＬ为决定于被加工金属和切削条件的系数；茗巴、ｙ，：、凡足、戈‘、Ｙ＾、ｎ＿、ｘＬ、ＹＬ、ｎＦｘ为分别为３个分力公式中，背吃刀量Ｏｔ。

、进给量．厂和切削速度Ｖ的指数；Ｋ¨坼．、酶．为分别为３个分力计算中，当实际加工条件与所求得经验公式的条件不符时，各种因素对切削力的修正系数的积。

上述公式中各参数可由机械设计手册杏取，由指数公式计算町得主轴系统的主切削力ｔ＝２３０５Ｎ。

３．２静载荷分析结果对主轴系统进行静载荷分析时，主要进行切削力加载分析，加载切削力时需要将主轴简化为ＰＩＰＥｌ６单元，轴承支承简化为ＣＯＭＢＩＮ１４单元。

分析结果如图７所示，电主轴在ｔ＝２３０５Ｎ的主切削力下作用下，最大变形６为６．６５¨ｍ。

可计算主轴的静刚度Ｋ为３４６．６Ｎ／Ｉ．Ｌｍ，完全可以满足电主轴切削加工的需要。

由图７可以看出切削力主要造成主轴前端悬伸部分的・７２・图７加载切削力裁荷的变形图变形，可推断主轴前端悬伸量是影响主轴静刚度的主要因素。

设计主轴结构时，在满足结构功能需要的前提下，应尽量减少主轴前端的悬伸量，以增加主轴系统的静刚度。

４主轴模态分析铣削电主轴的振动是铣削加工过程中不可避免的，它不仪使工件和铣刀的相对位置发生变化，影响加工精度，而且加速了铣刀的磨损，进一步影响了加工精度。

研究表明，机床的加工质量在很大程度上取决于机床所产生的振动。

特别是高速、高精度的机床，振动对其影响尤其明垃。

因此主轴的模态是主轴动态特性研究的首要问题。

主轴的模态分为主轴在自由状态下模态和加轴承约束状态下模态两种。

进行模态分析并确定电主轴系统单元的固有频率和模态振型，是评价主轴动态性能的一项重要指标。

４．Ｉ自由状态下主轴模态经分析得，主轴在自由状态下的各阶频率及对应转速如表ｌ所示。

因为没有限制主轴的自由度，所以主轴前６阶振动为平动，固有频率为零。

表１自由状态下各阶固有频率阶次６７８９１０频率／ＨｚＯｌ０９０．４ｌ０９０．４２４７０．０２６６６．５转影（ｒ／ｍｉｎ）Ｏ６５４２４６５４２４１４８２００１５９９９０主轴的第７阶、第８阶固有频率相等都为１０９０．４Ｈｚ，为分析计算的重根，主轴的第７阶、第８阶的模态振型如图８、图９所示，可知其模态振型都为一阶弯振且相互正交。

此时的转速６５４２４ｒ／ｍｉｎ即为主轴的一阶临界转速，而主轴的最高工作转速为１２０００ｒ／ｍｉｎ远低于６５４２４ｒ／ｍｉｎ的临界转速。