高速机床主轴部件有限元分析

发布时间:2021-09-25 20:53:41

第 29 卷第 10 期 2 00 8 年 10 月

东 北 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ) Journal of Nort heastern U niversity( Natural Science)

Vol1 29, No. 10 Oct. 2 0 0 8

高速机床主轴部件有限元分析
张耀满 , 刘春时 , 谢志坤 , 刘永贤
( 1. 东北大学 机械工程与自动化学院 , 辽宁 沈阳
1 2 2 1

110004; 2. 沈阳机床 ( 集团 ) 有限责任公司 , 辽宁 沈阳

110142)



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
ZH A N G Yao -man 1 , LI U Chun -shi 2 , XIE Zhi-kun 2 , LI U Y ong -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 @ 163. com)

Abstract: T he f inite element dynam ic analysis model of t he spindle assembly was developed by taking the advant age of the spring - damper elements t o simulate the bearing supports. T he F EA model w ere developed first by introducing 2 or 3 groups of circumferent ial spring - damper element s w hich were arranged at dif ferent angle around the spindle, then t he ef fect of diff erent support ing condit ions and diff erent arrang e angles on t he modal analysis of t he spindle assembly w ere comparatively discussed to select t he most rational FEA modal. T he modal analysis and harmonic analysis were bot h made to conf irm t he dynamic characterist ics of spindle assembly of CHH 6125 high -speed NC machine t ool developed and manuf act ured by Shenyang No. 1 Plant of M achine T ools, and t he result s w ere com pared w it h the t est ing ones. T he correct ness of the F EA model is available t o t he dynamic perf orm ance of t he 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 #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 [ 2- 4] 的动、 静态性能展开了广泛、 深入的研究 # 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
[ 1]

生切削自振的条件# 由于切削自振频率往往接* 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

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 10 期

张耀满等 : 高速机床主轴部件有限元分析

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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*锥 , 分析主轴部件的动静态性 能, 对于提高机床产品的设计水*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#
图 2 主轴支承 弹簧 - 阻尼模型 Fig. 2 Model of spring - damper elements of spindle support ( a) ) 两组弹簧支承 ; ( b) ) 三组弹簧支承#

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#

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 01 14 GN/ m, 后 支承的弹簧刚度为 01 11 GN/ m; 采用三组弹簧阻 尼单元模型的前支承处弹簧刚度为 0114 GN/ m, 中间支承刚度为 01 05 GN/ m, 后支承处弹簧刚度 为 01 11 GN/ 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#

Fi g. 1

图 1 机床第一主轴结构 Constructi on of the first spindle assembly

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#
Fi g. 3 图 3 三组弹簧阻 尼单元有限元模型 FEA model of 3 - group spring - damper elements

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东北大学学报 ( 自然科学版 )

第 29 卷

3

有限元分析结果及其说明

由图 4a 可知采用两组或三组弹簧 - 阻尼单 元支承主轴, 对于模态分析来说影响不大, 分析时 可以采用任何一种形式#在后续的计算过程中, 采 用两组弹簧阻尼单元来进行分析# 图 4b 为弹簧 - 阻尼单元沿圆周方向变化后 的计算结果#以 A= 0b作为参考, 对相对于基准情 况下逆时针方向旋转 15b, 30b和 45b的情况进行了 分析#由图 4b 可以看出 , 弹簧 - 阻尼单元沿圆周 方向的布置角度不同 , 其计算结果差异很小#

3. 1 主轴零件模态分析结果 分别采用两组弹簧- 阻尼单元和三组弹簧阻尼单元对主轴零件进行分析#另外, 为了研究每 个支承处弹簧- 阻尼单元沿圆周方向布置角度对 主轴固有特性的影响 , 对弹簧 - 阻尼单元在圆周 方向相对错开一定角度 A的情况进行了分析#主 轴模态分析的结果如图 4 所示#

图 4 主轴模态分析计 算结果 Fig. 4 Calculation result of modal analysis of spi ndle assembly ( a) ) 两、 三组支承情况 ; ( b) ) 不同角度布置情况#

3. 2 主轴部件分析计算结果 3. 2. 1 模态分析结果 在进行完主轴零件的有限元分析后, 对主轴 部件进行了有限元分析# 通过上面对主轴零件的 分析, 可知采用两组弹簧阻尼单元和三组弹簧阻 尼单元的分析, 以及弹簧阻尼单元沿圆周方向角 度不同的情况的分析 , 发现计算结果在固有频率 计算结果方面差异不大#因此选择采用两组弹簧 阻尼单元来分别模拟主轴部件的前后支承# 图 5 是不计油缸、 卡盘和皮带轮, 两组弹簧情 况下 , 机床主轴组件的模态分析结果图片#

独立且正交# 3. 2. 2 谐响应分析结果 在主轴前端卡 盘施加力为 91 8 N, 在 150~ 550 H z 频率范围 , 采用 st epped 方式 , 分为 50 步, 施力点的径向响应位移频率曲线如图 6 所示#

Fig. 6

图 6 第一主轴部 件谐响应分析结果 Harmoni c frequency response analysis of the first spindle assembly

4
图 5 第一主轴部件有 限元分析结果 Fig. 5 FEA result of the first spi ndle assembly

机床性能试验与分析

试验使用 B& K 振动测试设备进行测量 #在 进行试验的过程中, 是在主轴的前端装夹一圆形 工件 70 mm @ 100 mm , 并且在其端部安装阻抗头 来实现测量#激振力为 10 N, 测量频率范围为 20 ~ 10 kH z#试验中采用稳态正弦激振, 激振信号由 正弦信号发生器施加一个频率可控的正弦激振力# 在稳态下测定响应和激振力的幅值比和相位差#

通过计算可知, 主轴部件的 1~ 6 阶固有频率 分别为 0, 300, 301, 326, 330, 513 H z# 分析计算表 明: 每种情况一阶固有频率都为零 , 表现为主轴的 转动 ; 相邻的两阶频率相* , 视为重根, 模态相互

第 10 期

张耀满等 : 高速机床主轴部件有限元分析

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为测得整个频率范围内的频率响应, 需在多个频 率处进行系统稳态试验#图 7 为第一主轴激振结 果, 0 dB 时振动速度为 01 01 m m/ s#

尼单元沿圆周方向角度的变化对分析结果影响很 小#为了进一步提高有限元模型的精度 , 建议通过 试验对关键参数进行识别 , 并对有限元模型做必 要的改进# 参考文献 :
[ 1] Zhang Y M , Lin X L, Wang X D, e t al . The study on the dynamic charact erist ic of h igh speed machine tool and experiment - 576. [ 2] K rulew ich A K. Temperat ure int egrat ion model and measurement point selection for t hermally induced machine t ool errors[ J] . M echat ronics , 1998( 8) : 395- 412. validat e [ J ] . A dv ances in M ater ials M a nuf act uri ng S cience a nd Technol ogy , 2004, 471/ 472: 571

图 7 第一主轴 x 方向激 振振动速度 - 频率曲线 Fig. 7 Vibr ati on testing result in x direction

[ 3]

L in C W, T u J F, K amman J . A n integrated t hermo m echanical dynamic modal to characterize motorized machine t ool spindles during very high speed rotat ion [ J ] . In ternat ional Jour nal of M achi ne Tool & M anuf act uri ng , 2003, 43: 1035- 1050.

由于是在整机装配后激励主轴前端, 因此机床 整机的固有特性都将在其振动结果中有所体现#测 量的结果可以理解为机床的各阶模态在测量点的 综合反映 # 从第一主轴 试验结果可知 : 一阶 固有频率为 287 H z, 机械 导纳为 01232 mm/ ( s# N - 1 ) , 动 柔度 为 01 128 L m/ N; 二阶 固 有频 率为 11 6 kHz, 机械导纳为 01 683 9 m m/ ( s#N
- 1 [ 7- 8]

[ 4]

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) , 动柔
[ 6]

度为 01 068 1 L m / N#将该结果和有限元分析的结 果进行对比, 误差比较小 , 能够满足工程设计的基 本要求#

Kim S M , Lee K J, Lee S K , Ef fect of bearing support st ruct ure on t he high -speed spindle bearing compliance [ J ] . In ter nat ional Jou rnal of M achine T ool & M anuf act uri ng , 2002, 42: 365- 373.

5





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有限元分析结果和试验结果吻合较好, 说明 有限元模型可以应用于类似主轴部件的分析# 可以在轴承支承处用沿圆周方向均匀布置的 弹簧阻尼单元来实现对轴承支承的模拟# 弹簧阻
[ 8]

Yang J P, Chen S X. V ibrat ion predictions and verif icat ions of disk drive spindle syst em wit h ball bearings [ J] . Compu ters and S tru ctur es , 2002, 80: 1409- 1418.


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