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    平面磨床頭架主軸的動態特性分析

    發布時間:2021/12/24
              平面磨床頭架主軸的動態特性分析
      平面磨床頭架主軸在MKQ8312數控凸輪軸磨床中占有舉足輕重的地位,起著支撐工件的作用。寶在加工過程中的振動變形直接影響工件的加工精度,嚴重時可能發生工件扭曲變形的情況,因此很有必要對其靜動剛度進行分析。
      主軸部件是謦床最主要部件之一。中型臥式車床在不同激振頻率的動載荷作用下,各部垡墾映在刀具與蓋夢切謦處的綜合位移中,主軸部件所占的比例最大。主軸部件未處于共振狀態下時點30%-40%,處于共振狀態下時占60%一80%。無疑,主軸部件的性能在整機中是舉足輕重的,因而主輔部件的設計方法引起了工程師們的重視。長期以來,人們對主軸部件進行了廣泛的研究,取得了相當的進展。尤其是應用了諸如有限元法、傳遞矩陣法、集中抽量法等建立主軸部件的數學模型,使得有可能對主軸部件進行理論計算,對性能進行預測。這些方法一般均能滿足工程上的精度,然而它們并沒有在設計中得到普遍應用,原因在于兩個方面:其一,迄今為止還沒有建立起一個普遍適用的模型,給實際應用帶來一定的困難。其二,主軸支承條件難以確定,使計算誤差較大,以致難以應用到設計中。
      電主軸在超高速機床中占有舉足輕重的地位。標準電主軸采用無外殼電動機,將帶有冷卻套的電動機定子裝配在主軸單元的殼體內,轉子和機床主軸的旋轉部件做成一體,主軸的變速范圍完全由變頻交流電動機控制。電主軸系統是由階梯形主軸本身、殼體,與軸過粵配合的轉子、與殼體過盈配合的定子等附加質量塊、緊固件、端蓋及主軸支撐等多種零件組成。國外目前多數電主軸已作為標準件在市面上發售。
      本書所研究的試驗臺采用的是國產電主軸。該電主軸與目前普遍采用的國外電主軸標準件相比,既有相似之處也有區別。其區別主要在于砂輪與主軸的連接以及實心軸體的設計。具體包括:①無拉刀系統,不需液壓裝置;②砂輪與主軸螺紋聯接;③主軸轉子實心設計。另外.軸承采用鋼制軸承。其具體的幾何結構如圖1所示。
      
      對于主軸的研究,傳統的做法是把主軸簡化為等截面的梁單元進行計算,顯然是靜不定問題,用這樣的力學模型計算主軸的靜、動態特性與實際情況有很大的差距。區別于此種做法,本書采用三維實體模型有限元法進行分析。目前主軸部件設計采用有限元法,可以滿足設計過程要求,對主軸的結構優化提供依據。
      本著研究目的與軟硬件限制相協調的原則,建模時對平面磨床頭架主軸單元結構本身作了一些簡化,平面磨床頭架主軸的幾何結構如圖8-32所示。具體包括:
      1)各處倒角簡化為直角,忽略退刀槽。
      2)螺紋按圓柱體處理。
      3)潤滑油孔、工藝孔、螺紋孔、鍵槽等均按實體處理。
      
      圖2平面磨床頭架主軸的幾何結構圖
      經過簡化后的平面磨床頭架主軸的三維CAD模型如圖3所示。
      
      圖3平面磨床頭架主軸的三維CAD模型示意圖
      1.平面磨床頭架主軸有限元橫型的建立
      劃分中將平面磨床頭架主軸全局邊長控制在5即可滿足精度要求。整個平面磨床頭架主軸的有限元模型全部由體單元構成,總共有節點120297個,單元82144個,具體的有限元模型如圖4所示。
      
      圖4平面磨床頭架主軸的有限元模型
      2.設定邊界條件及定義材料屬性
      圖2所示的平面磨床頭架主軸的幾何結構圖中,1、2處分別由兩組角接觸球軸承支撐,主軸可以繞X軸轉動,因此應在l、2處圓柱形外表面加X、y、Z三個方向平動自由度以及y、 Z兩個方向的轉動自由度約束,約束后的平面磨床頭架主軸如圖5所示。
      
      圖5平面磨床頭架主軸的約束不意圖
      平面磨床頭架主軸的材料為65Mn鋼,單元對應的彈性模量為E=2.1×103 MPa,泊松比μ=0.3,密度p=7.8×10qt/mm3。
      3.平面磨床頭架主軸的模態分析’
      下面對平面磨床頭架主軸進行模態分析,得到主軸約束狀態下的前8階固有頻率及振型,如圖6所示。
      從圖6及表13可見,平面磨床頭架主軸的振型主要表現為彎曲,振型相互正交的2階頻率幾乎相等,這是由于約束狀態下產生了重根。
      表13平面磨床頭架主軸固有頻率及振型
      
      第1、2階 一次彎曲 振型相互正交
      
      第3、4階 二次彎曲 振型相互正交
      
      第5、6階三次彎曲 振型相互正交
      
      第7、8階四次彎曲 振型相互正交
      圖6平面磨床頭架主軸約束狀態振型圖
      4.、平面磨床頭架主軸的靜力分析
      要分析平面磨床頭架主軸的靜剛度(即在外界固定載荷下產生的變形、應力),則需在以上模態分析邊界條件的基礎上施加載荷。
      (1)載荷處理磨削過程中,平面磨床頭架主軸的受力是一個動態變化的過程,因此,按最有可能出現最大變形和應力的情況對主軸施加載荷,即在磨削過程中,對工作臺位于前床身的中間而加工的工件最長、最重的情況進行分析,7.對于其他的載荷工況不再詳述。
      1)平面磨床頭架主軸受到磨削力的作用,其中切向磨削力為50~150N,法向磨削力為切向磨削力的3。5倍,即為150—750N 。
      2)平面磨床頭架主軸起著支撐工件的作用,最大加工工件的質量為70kg,由于它是跟尾座共同支撐工件,因此頭架還受到工件對其向下的力為35kg工件的重力。
      3)由于各作用力與平面磨床頭架主軸都有一定距離,因此平面磨床頭架主軸還受到這些力對其的轉矩,這些力離平面磨床頭架主軸的距離可以通過測量的方法獲得,其中磨削力離主軸的距離為300mm,工件離主軸的距離為230mm,因此主軸所受的總轉矩為:M=(35X9.8x230+150X300—750×300)N。.mm=一101110N.mm,說明轉矩方向是逆時針方向。加載后的平面磨床頭架主軸如圖7所示。
      
      圖7平面磨床頭架主軸加載示意圖(2)平面磨床頭架主軸靜強度分析結果將加載后的主軸提交Nastra.n進行靜力運算,其結果可顯示位移變形圖及應力圖,如圖8所示。
      
      圖8 主軸頭架位移變形圖及應力圖
      5·平面磨床頭架主軸的強度校核
      根據以上結果可得主軸的最大變形為4.55×10.3mm,即最大擾度為0.00455mm,最大應力為8.23×106Pa。而在工程實際中查表得軸的許用撓度[Y]=0.0002L,軸的長度為620mm,所以此處的許用撓度為[Y]=0.0002×620ram=0.124mm,而此軸的最大擾度遠小于其許用擾度,因此所分析的軸也是滿足彎曲剛度要求的。平面磨床頭架主軸的材料為65Mn鋼,查表可知,材料的抗拉強度為7.35×108MPa,則其許用應力為[盯]=3.68×102MPa。而平面磨床頭架主軸最大應力為8.23MPa,遠小于材料的許用應力,由此可見此平面磨床頭架主軸具有足夠的擔度和穩定性。