无心车床空心主轴系统振动特性分析及结构优化
史丽晨1, 贠志达1, 王海涛1, 杜小渊1,2, 皇甫云峰1, 豆卫涛3     
1. 西安建筑科技大学 机电工程学院, 西安 710055;
2. 西安永电电气有限责任公司, 西安 710016;
3. 西部超导材料科技股份有限公司, 西安 710018
摘要: 利用Pro/E建立了空心主轴单元的三维模型,采用ANSYS对空心主轴单元进行了振动特性分析。通过在空心主轴上选取的6个关键节点,并取前轴承不同位置,对比分析不同前轴承位置时的固有频率及相应6节点处的振动特性,得到如下结论:刀具和调刀套节点处的振动对棒材加工精度影响最大,并在此基础上对空心主轴结构进行优化,提高了加工精度。
关键词: 无心车床     空心主轴单元     ANSYS     振动特性分析     结构优化    
Analysis of Vibration Characteristics and Structure Optimization for Hollow Spindle System of Centerless Lathe
Shi Lichen1, Yun Zhida1, Wang Haitao1, Du Xiaoyuan1,2, Huangfu Yunfeng1, Dou Weitao3     
1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Xi'an University of Architecture and Technology, Xi'an 710055, China;
2. Xi'an Yongdian Electric Co., Ltd., Xi'an 710016, China;
3. Western Superconducting Technologies Co., Ltd., Xi'an 710018, China
Abstract: The three-dimensional model of the hollow spindle unit is established with Pro/E. And the vibration characteristics of the hollow spindle unit are studied with ANSYS. Six key nodes on the hollow spindle and different positions of the front bearing are selected and the vibration characteristics are comparatively studied. The results show that the rod machining precision is greatly influenced by the vibration of the nodes of knives and knife pouches. Based on the results, the structure of hollow spindle is optimized and the machining accuracy is improved.
Key words: centerless lathe     hollow spindle unit     ANSYS     vibration characteristic analysis     structure optimization    

无心车床俗称剥皮机, 以其高效、高性能、无环境污染地对管、棒类工件的表面处理性能而得到广泛应用。无心车床主要由高刚度大阻尼的支承、空心主轴单元、棒料送进系统、控制系统等部件组成, 其中最重要的部件是有“心脏”之称的空心主轴单元, 它是整个无心车床的核心部件, 其性能在很大程度上决定了无心车床所能达到的加工精度[1-2]

Gagnol等[3]基于Timoshenko梁理论并考虑转子离心力和陀螺力矩效应, 建立了高速主轴系统的有限元模型。Rantatalo等[4]建立了铣床主轴的有限元模型, 指出轴承的刚度软化比转子陀螺力矩对主轴系统动态特性的影响更明显。Cao等[5]系统地研究了采用定压预紧和定位预紧的方式时, 主轴在轴向切削载荷、径向切削载荷及高速旋转等工作条件下的动态性能。田久良等[6]基于Timoshenko梁单元, 建立了机床主轴转子有限元模型, 并与轴承模型进行集成, 分析研究了影响主轴-轴承系统的影响因素。曹宏瑞[7]基于频率响应函数的有限元模型修正技术建立了机床主轴有限元模型, 并分析机床结构对主轴动态特性的影响, 能较好地预测主轴安装到机床上以后的动态特性, 从而为高性能机床的设计与制造提供理论依据。

空心主轴的振动是影响棒材加工直线度以及表面精度的重要因素, 为保证棒材在加工过程中的平稳性以及加工质量, 本文通过综合上述机床主轴有限元模型的优点, 进而建立无心车床空心主轴有限元模型, 并对无心车床空心主轴系统进行振动特性分析, 从振动学方面提出无心车床空心主轴单元的优化依据, 效果良好[8-10]

1 无心车床空心主轴单元有限元模型

以无心车床的空心主轴单元为研究对象, 其主要结构包含空心主轴、刀盘、调刀套等零件, 基本结构如图 1所示。

图 1 无心主轴单元示意图

采用Pro/E三维设计软件按实际尺寸建立三维模型, 通过ANSYS与Pro/E软件的接口, 将模型导入ANSYS中。为了方便有限元计算, 对图 1的空心主轴中进行简化建模[11], 建模过程中关键点如下:

1) 单个轴承简化:本无心车床空心主轴系统中的轴承均为角接触球轴承, 将其简化为弹性支承, 支点位置在接触线与主轴轴线的交点处。认为轴承只具有径向刚度, 不考虑其有角刚度, 即将支承简化为径向的压缩弹簧质量单元; 同时忽略轴承负荷及转速对轴承刚度的影响, 视轴承刚度为一个不变的常数。单个轴承简化模型见图 2

图 2 单个轴承简化模型

2) 组合轴承简化:对于空心主轴的组合轴承, 采用用4个周向均布的COMBIN14弹簧-阻尼单元和MASS21结构点质量单元组合模拟轴承结构。如图 3所示。

图 3 组合轴承简化模型

3) 空心主轴总体结构简化:选用BEAM23二维塑性梁单元模拟整根轴, 模型所施加约束为:前支承全约束, 后支承可轴向游动, 因此, 后支承不约束轴向方向的自由度。如图 4所示。

图 4 空心主轴单元ANSYS模型
2 振动特性分析

对所研究无心车床主轴系统进行振动特性分析, 主要分析系统的一阶固有频率以及谐响应特性。分析的目的是计算出结构在激振力频率下的响应, 即响应位移与响应应力, 并得到系统的动力响应与系统振动频率的幅频曲线[12]

2.1 激振力的确定

根据谐响应分析的定义, 若在ANSYS中进行谐响应分析, 首先需要确定激振力, 即随时间变化按照正弦(简谐)规律变化的载荷, 其表达式如下

    (1)

式中:P(t)为激振力; p为激振力振幅; ω为强制频率; ϕ为相位角, 近似取为零值。

2.2 振动特性分析

采用Mode Superpos′n(模态叠加法), 在模态分析的基础上进行谐响应分析。经过分析得到所研究空心主轴单元一阶固有频率为1 457.7 Hz[6-7]。那么研究该一阶固有频率附近的谐响应情况, 取激振力的频率范围为1 300~1 600 Hz, 载荷子步为25, 加载方式选Ramped(即载荷的幅值随各子步逐渐增加)。取空心主轴单元上6个关键节点进行求解分析, 即空心主轴单元调刀套、刀具、前轴承所在位置、后轴承所在位置、整个轴的中部节点及整个轴的末端节点六处, 得到相应的幅频曲线如图 5所示。

图 5 空心主轴关键点幅频曲线

图 5中观察可以发现, 当激振力频率由1 400 Hz增至1 460 Hz时, 所有关键点径向响应位移陡然提升, 意味着主轴单元动刚度下降明显; 而当激振力的频率由1 460 Hz增至1 490 Hz时, 主轴单元关键点的径向响应位移陡然下降, 也即主轴单元动刚度提高; 当频率值小于1 360 Hz时, 主轴单元关键点的动态位移非常小, 此时主轴单元动刚度较好。基于以上分析可知, 主轴单元工作频率远低于共振频率, 所以, 其能有效避开共振区。

为了分析6个关键节点对加工精度影响最大处, 作出具体的各个关键点的最大振幅对比图, 如图 6所示。

图 6 各个关键点最大振幅对比图

从图中可以看出, 刀具节点位置所代表的径向响应位移最大, 约为1.24 mm。调刀套节点位置的最大振幅与刀具节点处相差不大, 约为1.22 mm。相较于其他节点处此二节点处振幅偏大, 说明刀具和调刀套两处振动对加工精度影响最大, 同时也说明如果主轴单元发生共振, 刀具和调刀套位置是最易发生疲劳破坏的危险区域。此外整个空心主轴系统的中点处振幅最小, 说明此处对加工精度影响最小[13]

3 空心主轴系统结构优化

空心主轴轴承的跨距以及前端的悬伸量对空心主轴单元动态特性的有较大影响。轴承布置位置改变, 不仅使得主轴的固有频率值发生变化, 更重要的是通过振动分析观察各节点处共振幅值的变化趋势, 继而分析对加工精度和主轴疲劳寿命影响最大的节点, 分析共振幅值是否可以减小从而提高加工精度。

由前文分析可知, 刀具和调刀套两节点处的振动对加工精度影响最大, 因此以靠近该两节点处的前轴承为研究重点, 以原无心车床主轴系统的结构和尺寸参数为基础, 取多组前轴承不同的位置来计算分析。各结构轴承位置取值如表 1

表 1 前轴承位置取值表
组序 位置
第1组 前移5 mm
第2组 前移2.5 mm
原结构 原结构
第3组 后移2.5 mm
第4组 后移5 mm
3.1 一阶固有频率对比分析

前轴承在不同位置处时空心主轴系统一阶固有频率如图 7所示。第4组位置处计算的一阶固有频率值与原结构的固有频率值1 457.7 Hz相互间相差并不大, 其中第2组的一阶固有频率最大。

图 7 轴承不同位置处一阶固有频率对比图

分析图 7, 有以下结论:

1) 因为4组的临界转速都远高于主轴的一阶固有频率, 说明当主轴单元的轴承在这4组位置时, 都可以避开共振区, 确保了空心主轴单元在加工过程中的安全性。

2) 从避免共振角度来看, 固有频率越高, 系统工作稳定性越高, 可见第2组前轴承布置方案较原结构布置方案有优势。

3) 前轴承位置从第1组到第4组数据分布来看, 空心主轴单位的跨距是逐渐减小的, 而从图 7来看, 主轴单元的共振频率随轴承跨距的变化趋势为增大-减小-增大, 说明跨距和固有频率之间的关系不是纯单调性关系。欲取得较高的固有频率, 如能将轴承跨距更加细化取值进行分析, 将会得到更优更可靠结构参数[14]

3.2 不同前轴承位置的谐响应分析

分别对4组不同前轴承位置的空心主轴系统进行振动分析, 得到结果如图 8~图 11所示。

图 8 第1组前轴承位置空心主轴关键点幅频曲线
图 9 第2组前轴承位置空心主轴关键点幅频曲线
图 10 第3组前轴承位置空心主轴关键点幅频曲线
图 11 第4组前轴承位置空心主轴关键点幅频曲线

观察图 8~图 11, 可以看出4组振动特性分析的结果有相似点也有不同点。相似点在于所选取的调刀套、刀具、前轴承所在位置、后轴承所在位置、整个轴的中部节点及整个轴的末端这6个关键点的幅频曲线的形状是基本一致的, 都在一阶固有频率处, 出现了最大位移值; 同时, 都是刀具和调刀套两节点处的位移较其他关键节点位置的位移较大, 说明这两个节点位置对加工精度影响最大。同时这两节点位置也是空心主轴单元的危险位置, 容易发生疲劳破坏。不同点主要体现在最大位移值不同。图 12给出前轴承处于不同位置时, 空心主轴系统的最大振幅对比。

图 12 前轴承不同位置时主轴系统最大振幅对比图

观察图 12, 可以看出, 前轴承位置经过调整后空心主轴关键节点位置的最大位移分别为1.13×10-2 mm、5.6×10-3 mm、2×10-2 mm以及1.25×10-2 mm, 都低于前轴承原来所在位置的振幅值1.24 mm。在第2组即前轴承位置前移2.5 mm的位置处出现了位移最小值, 结合图 7分析的第2组位置处空心主轴的一阶固有频率最大, 可有效的避开共振区。可知如将实际的无心车床空心主轴单元的前轴承向前移动2.5 mm做调整, 所得无心车床主轴加工性能将会较原结构更优。

4 实验验证

根据前述研究结果, 按照表 1中第2组数据对所研究空心主轴前轴承位置进行调整, 对主轴结构进行微调。对无心车床6个关键节点放置加速度传感器进行测量(图 13)。

图 13 结构优化后无心车床车削测量

由于刀具和调刀套两节点处的位移较其他关键节点位置的位移较大, 因此测的的调刀套Y原始数据曲线如图 14所示, 由于数据量过大, 可以从原始数据中截取一段比较稳定的数据进行分析研究, 从数据中取出3 s所采集的数据进行分析。经过滤波、对加速度积分和用最小二乘法去除趋势项, 得到最终的位移曲线如图 15所示。调刀套的最大位移为0.004 5 mm, 小于分析得到的0.005 6 mm, 并且对加工后的工件进行测量, 发现加工精度由原来的0.5 mm/m提高到0.4 mm/m, 加工精度提高20%左右, 取得了较好的效果[15]

图 14 调刀套Y向原始数据曲线
图 15 最终得到的调刀套的位移波动

对其他组数据经过同样的处理发现只有后轴承处的最大位移大于调刀套处的最大位移, 分析原因是因为在实际设备中后轴承距离提供动力的带轮较近, 带轮的动力是由主电机通过皮带传递过来, 皮带传输在工作过程中的振动是比较大的, 因此在测量过程中, 电机的振动以及皮带的振动不可避免的会引起后轴承的振动, 使得振动加剧。

5 结论

1) 刀具以及调刀套两节点处的振动对加工精度影响最大, 并且此二处也是空心主轴最容易发生疲劳破坏处。

2) 通过前轴承不同位置的动态分析, 对比各个关键点最大振幅以及空心主轴单元固有频率值, 找到了较原结构更优的前轴承位置, 并且经过加工测量确实使得无心车床的加工精度得到了提高。

3) 基于振动特性的分析为所研究的无心车床进行了一定程度的结构优化, 该方法提供了一种优化新思路, 从动态性能上提高了设备的设计质量和功能效果。

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DOI: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0911
中华人民共和国工业和信息化部主管、西北工业大学主办。
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史丽晨, 贠志达, 王海涛, 杜小渊, 皇甫云峰, 豆卫涛
Shi Lichen, Yun Zhida, Wang Haitao, Du Xiaoyuan, Huangfu Yunfeng, Dou Weitao
无心车床空心主轴系统振动特性分析及结构优化
Analysis of Vibration Characteristics and Structure Optimization for Hollow Spindle System of Centerless Lathe
机械科学与技术, 2017, 36(9): 1375-1380
Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2017, 36(9): 1375-1380.
DOI: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0911

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收稿日期:2016-07-12

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