车铣复合加工中心主轴结构的有限元分析
2022-5-30 来源：齐齐哈尔工程学院 作者：谢伟东
摘要： 车铣复合加工中心主轴是系统结构中的关键性零件，机床在运行过程中会受到不同程度的切削力，想要防止机床变形问题的发生率，需要通过科学的结构设置保证机床的刚度，当承受较大的切削力时，依然保有较高的加工精度，降低自激振动问题的发生。采用有限元分析技术创建系统模型，通过车铣复合加工中心主轴结构的设计调整，对主轴刚度进行分析验算，车铣复合加工中心主要包括单元技术、机床整机技术，其中主轴单元属于单元技术的重要环节。车铣复合加工中心主轴（电主轴）结构的有限元分析，主要研究目的是提高机床运行的稳定性，保证加工精度和主轴刚度。
关键词：车铣复合加工中心；主轴结构；有限元分析
０ 引言
车铣复合加工中心主轴结构包括：主轴电机、主轴和轴承等部分，主轴作为机床的核心部件，其结构性能对在整台机床的运行稳定性有着重要影响，想要全面提高切削速度、保证机械加工精度，就需要建立有限元分析模型，分析主轴结构性能。主轴结构设计中的技术手段相互制约，解决速度与刚度之间的矛盾，借助有限元分析法的便利性和灵活性，对车铣复合加工主轴结构进行分析，通常情况下安装两个主轴，实现在不停车状态下的自动对接转移，自动化完成绝大部分的工件加工工作，提高加工效率。
１、车铣复合加工中心主轴结构
１．１ 车铣复合加工中心主轴结构
结合轴承结构的主要特点，车铣复合加工中心主轴通常 只存在径向刚度，简化处理后发现径向压缩弹簧。车铣复合加工中心主轴简化后的力学模型分析过程中，可以有选择的忽略轴承刚度与转速、负荷之间的关系，假设轴承的刚度为标准常数进行后续的有限元分析工作，这一过程中省略了工作人员的计算量，结合主轴结构类型，主要采用滚动轴承，省略阻力因素分析并不会对最终的分析结果产生影响。如图1所示，简化主轴刚度细节部位进行整体显示。
１．１．１ 轴壳
在进行主轴结构分析的过程中，轴壳作为主要部件之间，其尺寸与位置会对主轴设计精度产生影响，通过安装过程的查看，设计人员将轴承座孔安装到轴壳上，在进行电机定子安装的过程中，需要保持一端处于开放状态。一些大型的主轴结构中，为了安装便利，会在轴壳两端设计的过程中采用开放型设计原理，提高主轴的运行速度，保证运行功率，其中转子直径要高于轴承外径，实现对机床装配精度的控制，后轴承安装区域提供无间隙配合。
图１ 车铣复合加工中心主轴简化后的力学模型
１．１．２ 转轴
转轴属于主轴的重要回转体，转轴的实际精度会对主轴的整体精度产生影响，采用的转轴对形位公差、尺寸精度有着高质量要求，转轴在高速运转的过程中，受到偏心质量的影响产生不规则振动，无法保证机床动态性能的稳定性，需要借助有限元测试转轴的动平衡，在测试的过程中一部分转轴上的零件要同时接受动平衡测试。
１．１．３ 轴承
精密轴承作为主轴的核心支承部件，其尺寸、位置和功能会对主轴最高转速产生影响，因此在主轴结构设计的过程中，需要选择高速性能、动负荷承载强以及发热量小的精度轴承，其中常见的类型有：动静压轴承、磁浮轴承等。
１．２ 主轴电机有限元分析
１．２．１ 电机的有限元仿真
在进行主轴电机有限元分析的过程中，采用仿真处理的方式，主要的计算对象是电路、磁路，以此为基础，通过 Ａｎｓｏｆｔ中的 ＲＭ ｘｐｒｔ模块进行电机结构选择，参与到电磁设计分析的过程中，计算软件仿真建模数据。将已经完成的电机模型信息输入到二维瞬态场。加载几何模型的同时进行模型材料定义，分别设定电机主从边界条件，采用网格划分的形式得到各项信息，转子受力过程中对气隙网格具有一定的敏感性，因此，在得到的最小气隙处分别设置了多层网格，计算出主轴电机电磁转矩，了解主轴电机的电流变化流程。
１．２．２ 二维电机瞬态分析
将已经构建完成的仿真模型输入到 Ｍａｘｗｅｌｌ２Ｄ 瞬态场，利用数据分析软件定义电机内部的主材料、设定精准度的边界条件，合理添加激励源，做好网格划分处理。如图２所示，计算磁链在经过转子齿面时的疏密程度，分析转子齿部尺寸对最终分析结果的影响，并结合呈现的数据效果图示，得出转子电阻与转子齿部尺寸的关系，保证漏抗与加工速度相契合。在主轴电机结构设计的过程中满足机床运行速度范围内的功率、扭矩需求，全面提高转子旋转阶段强度。
图２ 双层绕组
１．３ 主轴电机绕组设计
主轴电机的定子绕组为励磁绕组，在主轴结构设计的过程中电机绕组设计质量会影响到主轴动力性能，车铣复合加工中心主轴电机绕组设计过程中采用单层绕组，需要在每个槽放置线圈边。单层绕组的线圈槽数量较少，实现对槽面积的综合利用，绕组的断口接线长度有限，无法随意进行节距调整，绕组的端部交叠安装，具有较高的稳定性。在进行绕组类型选择的过程中，要结合主轴结构特点进行综合考量，车铣复合加工中心主轴的定子槽较浅，主要采用双层绕组，在嵌线阶段会遇到很多问题，绕组的散热性能较差，但双层绕组的应用能够降低高次谐波损耗。
１．４ 电机定子绕组的有限元分析
１．４．１ 有限元模型的建立
车铣复合加工中心主轴定子绕组为三相１２／８极结构ＳＩＴＭ，结合ＳＲＭ定转子外径与内径的数据信息，对定转子极弧系数、气隙等数据进行调整，选择合适的零件尺寸完成主轴结构设计与安装，在计算机数据系统中生成了几何模型进行有限元分析，从机床控制接口输入几何模型，利用瞬态模块完成二维时步有限元计算。通过计算机软件定义外加电路，分别建立功率变换器分析模型、驱动电路分析模型，彼此之间相互验证形成仿真体系。
１．４．２ 三角形单元网格剖分
定子绕组有限元分析的前提是电机模型的建立，定义运动边界的限制条件，通过有限元算法分析的时间步长，了解电机系统网格的划分情况。Ｍａｘｗｅｎ能够自动剖分有限元网格，在实际分析计算过程中，当计算精度无法满足分析需求时，需要借助手工操作的方式，全面提高气隙区域的网格密度。三角形单元网格剖分形式的运用，划分过程十分仔细，网格的剖分精度较高，但需要机器保持高运行时长。在进行磁场能量集中、磁场变化快的气隙区域，要确保网格划分的精细程度，提高计算精度的同时，完成磁场变化不明显的电机区域网格划分。有限元计算需要具备理想的边界条件（磁通平行边界），在进行绕组激励源输入的过程中，要通过外电路完成输入，建立ＳＲＭ 驱动电路分析模型。
２、有限元分析车铣复合加工中心主轴结构
２．１ 有限元分析的主要流程
想要保证系统运行的稳定性、分析结果的准确性，就需要结合车铣复合加工中心主轴的实际构成情况，建立三维实体模型，在此基础上进行静态分析，适当地对主轴增加约束力和载荷重量，根据有限元模型显示的各项数据信息，在 ＡＮＳＹＳＹ 里求解，分析机床主轴的广义特征。
通过合理计算得到车铣复合加工中心主轴的有限元节点，分析有限元模型坐标系中产生的变形情况和移动情况，借助表格与色度图的显示形式，向计算人员展示设备与零件的位移数值与扭转变形的程度。分析多个节点的变形强弱，对主轴运行阶段承受的应力大小进行计算，同时得到车铣复合加工中心主轴应力的主要受力点，分析多个节点的位移变化，将得到的数值代入到径向刚度计算公 式：Ｋｒ＝Ｆ／Ｗ ，完成车铣复合加工中心主轴刚 度计算。
２．１．１ 主轴部件有限元模型
车铣复合加工中心主轴普遍为阶梯空心轴，在进行主轴部件动态、静态设计的过程中，需要利用有限元分析软件（ＡＮＳＹＳ）对主轴部件的工作情况进行分析，根据运行时期工件的具体表现，制定主轴部件有限元模型，对分析流程进行分割。一般情况下，车铣复合加工中心主轴部件构成，需要前后两套角与陶瓷球轴承建立支撑关系，保证前轴承的固定状态，能够完成承受径向载荷、双向轴向载荷，后轴承在定向阶段会产生轻微的位移，在进行主轴工作热伸长的补偿处理阶段，前后轴承在完成定位转移的同时，将盈套固定在主轴区间。电机转子改变键联接的状态，转移到前后轴承之间，转矩的传递工作需要借助压配合的摩擦力完成。
主轴部件建模的过程中，需要通过有限元分析 ＡＮ－ＳＹＳ，计算简化处理后实体模型的具体尺寸，生成关键节点，在得到的截面上进行平面单元设计，主要采用手工划分网格离散的处理形式，将带网格的截面转化为带网格的物体。结合现有的主轴约束条件，参考主轴结构设计的实际情况，进行科学的有限元分析，计算得到主轴的载荷条件，分析车铣复合加工中心主轴的铣削力。
２．１．２ 特定结构的振动特征分析
特定结构的振动特征分析指的是主轴结构的固有频率以及振型，采用模态分析的形式进行主轴结构故障诊查，通过得到的固有频率值分析了解主轴结构的整体刚度，分析结论：固有频率越大、结构刚度越大。分析主轴结构故障产生的主要原因，将机床振动形式分为自由振动、被动振动和自激振动三种，机床振动可能造成刀具位移，影响工件的运行速度，无法保证工件的加工精度，最终的机床加工精度、效率不理想的后果。建立有限元分析模型计算机床固有频率，是保证机床整体性能的主要手段。
图３ ＡＮＳＹＳ中主轴部件模型
２．２ 车铣复合加工中心主轴结构特点
２．２．１ 主轴结构静态分析
通过有限元分析技术对车铣复合加工中心主轴结构特点进行了解，静态分析首先需要了解主轴变化前后所产生的位移矢量，分析车铣复合加工中心主轴变形的主要区域，变形问题主要出现在主轴的前端部位，这是因为主轴前端作为主要受力点。与之相反后主轴端的变形问题并不严重，通过调查分析表明，车铣复合加工中心主轴的受力点所产生的应力最大，随着坐标的移动，应力也逐渐向主轴后端移动。
２．２．２ 主轴结构模态分析
采用三维实体模态分析法，对车铣复合加工中心主轴的运行状态进行观察，主要的分析内容是，机床高速铣头的固有振动频率，以此作为依据了解振动特性与响应特性，无阻尼自由振动实验得到车铣复合加工中心主轴的固有振动特性，如表 １ 所示，在检验固有频率的同时，分析振动的主要类型以及振动过程中产生的应力数值。车铣复合加工中心主轴运行的过程中，通过交变循环产生应力作用到主轴，产生生产疲劳，对内部设备和工件造成不同程度的破坏。因此，需要制定出合理的解决方案提高主轴结构强度，借助模态分析法计算出主轴的固有频率与临界转速，通过数据调整在有效转速 ＜ 临界转速的状态下重新定位，避免对共振区域造成损耗，全面提高主轴设计成效。
表１ 电主轴的固有振动频率和振型
２．３ 主轴结构铣削静刚度分析
铣削静刚度分析的主要目的是，了解机器在运行过程中，各项数据是否满足机床精度加工标准，在车铣复合加工中心主轴的静刚度分析阶段，结合静载荷、位移比值，通过模型演示，利用极端公式分析主轴刚度。车铣复合加工中心主轴结构中主轴箱前端呈现出六角外形，倾斜分布加强筋对主轴载荷进行分解，当主轴箱的头部呈现出矩形，主轴孔壁会与板壁之间相切，同时在另外一侧设置加强筋作为支撑，主轴载荷分解转移到左壁、两处加强筋上。选择合适形状的对角筋，能够全面提高主轴箱的弯曲刚度，降低立柱发生变形的概率，如表 ２ 所示，在主轴结构设计阶段，通过有限元分析得到主轴刚度的极差变化，降低主轴面内弯曲问题的发生。
表２ 主轴刚度的极差分析表
总结：在车铣复合加工中心主轴结构问题解决的过程中，需要通过有限元分析得到准确的主轴端变形动态演示，在有 ＡＮＳＹＳ软件中以动画播放的形式表现出来，并做好视频、数据记录找到危险截面的所处区域，显示出临近受力点的轴肩区域工作情况，通过轴有限元模型完成２Ｄ、３Ｄ 的主轴模态分析，为车铣复合加工中心主轴结构设计提供精准的参考数据，作为设计修改的基础。
投稿箱：
如果您有机床行业、企业相关新闻稿件发表，或进行资讯合作，欢迎联系本网编辑部， 邮箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有机床行业、企业相关新闻稿件发表，或进行资讯合作，欢迎联系本网编辑部， 邮箱：skjcsc@vip.sina.com
更多相关信息
