TK6920 澆灌定位組合鏜軸動態(tài)特性分析及應(yīng)用
2016-7-14 來源：武漢國威重型機床股份有限公司等 作者：陳水勝 胡海 楊哲 嚴進
摘要: TK69 系列大型數(shù)控落地銑鏜床是《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》( 2006—2020) 和國家統(tǒng)計局《戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)分類( 2012) 》重點發(fā)展的項目，其主軸的動態(tài)性能直接影響到機床的加工精度。結(jié)合TK6920 主軸的功用，提出一種澆灌定位組合鏜軸，基于機床有限元法對其動態(tài)特性進行了分析和試驗驗證，得出該鏜軸具有良好的抗振性能和結(jié)構(gòu)工藝性，滿足重型機床高速、高精、高效的需要。
關(guān)鍵詞: 銑鏜床; 組合鏜軸; 動態(tài)特性; 抗振性; 結(jié)構(gòu)工藝性
現(xiàn)代數(shù)控機床正向高速度、高精度、高剛度方向發(fā)展［1］。TK6920 重型數(shù)控銑鏜床是一種性能優(yōu)良、加工工藝范圍廣泛、精度及生產(chǎn)效率較高的設(shè)備，也是《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》( 2006—2020) 和《戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)分類( 2012) 》中重點發(fā)展的高端技術(shù)裝備。該機床一次裝夾就可完成鉆、擴、鏜、切溝槽和平面銑削加工，如果再配上高精度的數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺，一次裝卡便可完成5 個面的多道工序的加工，是冶金、能源、電力、船舶、核電等行業(yè)大型零件加工必不可少的加工設(shè)備。為了滿足機床高速、高精、高效的切削加工要求，需要機床結(jié)構(gòu)具有更高的強度、剛度、熱穩(wěn)定性和抗振性等性能。當(dāng)前，國產(chǎn)的該類機床主軸轉(zhuǎn)速一般在2 ～ 1 200 r /min之間，國外同類機床轉(zhuǎn)速可以達到2 500 r /min; 在高速性能指標(biāo)上國產(chǎn)與國外的同類機床相比較還有一定差距，對生產(chǎn)效率的進一步提高有一定限制。而主軸作為機床傳遞主運動、提供主切削速度的關(guān)鍵部件，主軸轉(zhuǎn)速直接決定著加工效率，并且其動態(tài)性能好壞直接影響著機床最終加工性能［2］。因此，對TK6920重型數(shù)控銑鏜床高速主軸的優(yōu)化設(shè)計、動態(tài)性能分析和實驗驗證尤有必要。
1、灌定位組合鏜軸的結(jié)構(gòu)
以TK6920 /80 × 50 數(shù)控落地銑鏜床為例，主要技術(shù)參數(shù)見表1。
澆灌定位組合鏜軸如圖1 所示，整體式鏜軸如圖2 所示。澆灌定位組合式鏜軸分為兩部分: 鏜軸頭部和鏜軸尾部，兩部分分開進行加工，接頭2 后端軸頸與鏜軸1 的內(nèi)孔配合，接頭2 前端的定位軸肩靠在鏜軸1 的端面上，并由螺栓6 固定，接頭2 上有用于裝卡刀具的錐孔，在鏜軸1 上有內(nèi)錐孔，接頭2 外部有錐面，內(nèi)錐孔與錐面之間形成錐環(huán)形縫隙，錐環(huán)形縫隙內(nèi)澆灌有固化膠7，鏜軸1 與接頭2 之間還連接有傳動銷8，傳動銷8 與接頭2 之間也澆灌有固化膠7。傳動銷8 的作用是同螺栓6 一起承受接頭2 與鏜軸1 之間的扭矩［3］。
TK6920 數(shù)控銑鏜床采用3 支撐主軸結(jié)構(gòu)。這是由于主軸跨距較大，3 支撐可以有效減少主軸彎曲變形。這3 個支撐中，前支撐和中間支撐分別由1 對角接觸球軸承組成，其型號為B71952E T P4S UL。這2對角接觸球軸承采用背對背的組合方式，2 個軸承共同承擔(dān)徑向載荷，還可以承受雙向的軸向載荷。后排軸承由1 對深溝球軸承組成，其型號為61948M-P5。這對軸承是輔助支撐，安裝時在徑向要保留必要的游隙，從而避免主軸安裝軸承處軸徑和箱體安裝軸承處孔的制造誤差引起的干涉。
2、鏜軸有限元動態(tài)特性分析
主軸是機床最重要的部件之一，其前端安裝刀柄和刀具，直接參與切削加工，其性能直接影響到零件的加工質(zhì)量以及加工效率等。機床加工工件時所受的切削力變化較大，引起的振動也很大，嚴重影響加工質(zhì)量，為此必須對機床進行動態(tài)特性分析。模態(tài)分析法和諧響應(yīng)分析是目前研究機床動態(tài)性能的最主要方法，模態(tài)分析可以判斷出主軸的設(shè)計是否合理、振型是否影響加工精度; 諧響應(yīng)分析可以預(yù)測結(jié)構(gòu)的持續(xù)動力特性，從而驗證主軸結(jié)構(gòu)能否克服共振、疲勞，以此對主軸進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使其滿足機床對加工質(zhì)量的要求。
2. 1、鏜軸的三維建模
進行有限元分析所用的軟件是ANSYS，但是鑒于其建模功能的缺陷，首先用SolidWorks 軟件進行建模，然后導(dǎo)入ANSYS 進行分析。建模時忽略了一些對有限元分析結(jié)果影響不大的因素，如一些小圓角、倒角和凹槽等［4］。
2. 2、鏜軸剛度分析
根據(jù)機床加工性能要求，設(shè)定鏜軸最大扭矩為T = 11 500 N·m，最大切削力為Fc = 50 000 N，依據(jù)經(jīng)驗公式計算最大進給力為: Ff = 0. 4Fc = 20 000 N。單元選Beam188，設(shè)定主軸的彈性模量、泊松比和密度，劃分網(wǎng)格，施加約束，施加載荷( 切削力、進給力和扭矩) ，得到的主軸靜力變形如圖3、圖4所示，扭轉(zhuǎn)變形如圖5、圖6 所示。
在最大扭矩的作用下: 澆灌定位組合鏜軸扭轉(zhuǎn)變形為0. 02，整體式鏜軸扭轉(zhuǎn)變形為0. 001 4。實際應(yīng)用中很少出現(xiàn)因強度不夠而導(dǎo)致主軸疲勞斷裂失效的情況，可能會出現(xiàn)的是切削力作用下剛度不足而出現(xiàn)的變形過大，又或者會產(chǎn)生振動使加工精度受到影響的現(xiàn)象。所以有必要比較一下這兩種主軸的剛度是否能滿足使用要求。
主軸的剛度就是指其在外載荷作用下抵抗變形的能力。剛度的計算公式如下:
式中: F 為切削力，y 為變形量，K 為剛度。根據(jù)ANSYS 分析結(jié)果，分別算出澆灌定位組合鏜軸和整體式鏜軸的剛度K1和K2為:
查資料知，澆灌定位組合鏜軸的剛度完全能夠滿足工作的需求; 從計算結(jié)果看整體式鏜軸的剛度比澆灌定位組合式鏜軸好一些，這與實際情況相符。
2. 3、鏜軸動力學(xué)分析
澆灌定位組合鏜軸與整體式鏜軸的動力學(xué)分析有所不同，因為澆灌定位組合鏜軸頭部與尾部是用固化膠TS355 粘接起來的，而整體式鏜軸不存在粘接，所以要將固化膠部分看做是結(jié)合面。結(jié)合面通常采用彈簧阻尼單元來模擬，計算出剛度和阻尼就可以進行結(jié)合面的等效代換。結(jié)合面的接觸剛度和接觸阻尼對整機動態(tài)特性影響很大，研究表明: 結(jié)合面特性對機床整機性能有很大的影響，機床的靜剛度中，30% ～50%取決于結(jié)合面的剛度特性; 機床阻尼值的90%以上來源于結(jié)合面的阻尼特性，60%的機床振動問題源于結(jié)合面［5 － 6］。所以合理選擇等效結(jié)合面的參數(shù)至關(guān)重要。固化膠層的厚度是影響結(jié)合面參數(shù)的一個主要因素，選擇合適的澆灌厚度對機床動態(tài)性能的影響不言而喻。灌膠工藝所用的定位膠材料沒有鑄鐵高，定位膠越厚，其剛性越差，但若定位膠太薄，粘接強度又不夠，故在灌膠過程中應(yīng)嚴格控制定位膠的厚度［7］。經(jīng)過試驗分析驗證，得出錐環(huán)形縫隙最佳厚度為2. 5 mm［3］。
2. 3. 1、鏜軸模態(tài)分析
選用Block Lanczos 方法進行模態(tài)提取，文中提取澆灌定位組合式主軸和整體式主軸的前6 階模態(tài)( 表2) ，第3 階振型見圖7
由表2 可得出以下結(jié)論:
( 1) 鏜軸前兩階頻率很小，約等于0，屬于剛體振動，可以忽略。
( 2) 鏜軸第3 階和第4 階頻率較為接近，可以視為重根，第5 階與第6 階頻率較為接近，都可視為重根。
( 3) 澆灌定位組合鏜軸1 階固有頻率為88 Hz，2 階為144 Hz; 整體式鏜軸1 階固有頻率為95 Hz，2階為134 Hz。
( 4) 鏜軸工作轉(zhuǎn)速為2 ～ 2 500 r /min，固有頻率范圍為0. 03 ～ 41. 67 Hz，與鏜軸固有頻率差距較大，工作時不會發(fā)生共振。
2. 3. 2、鏜軸諧響應(yīng)分析
諧響應(yīng)分析是確定結(jié)構(gòu)在承受隨時間正弦( 簡諧) 變化的載荷作用時穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的一種技術(shù)［8］。機床在工作中，鏜軸會受到周期性的激振力的作用，如果因為沒有提前預(yù)測而使機床發(fā)生共振，尤其是工作過程中的鏜軸受到的激振頻率與其固有頻率接近時，不僅影響加工精度，還會對機床造成損壞，影響機床使用壽命，因此對鏜軸進行諧響應(yīng)分析很有必要。
對澆灌定位組合式鏜軸和整體式鏜軸分別進行諧響應(yīng)分析，加載激振力為UZ 負方向，大小9. 8 N，頻率范圍分別為65 ～ 200 Hz 和70 ～ 200 Hz，分10 個載荷子步計算主軸1 階固有頻率和2 階固有頻率附近的響應(yīng)［8］，諧響應(yīng)分析結(jié)果如圖9 所示。
從圖8 可以看出: 澆灌定位組合式鏜軸的激振頻率的峰值發(fā)生在93 和145 Hz 左右，整體式鏜軸的激振頻率峰值發(fā)生在90 與135 Hz 左右，與模態(tài)分析的結(jié)果相符合，且澆灌定位組合鏜軸的位移幅值比整體式主軸的要小，由此得出澆灌定位組合鏜軸的抗振型性較好一些，結(jié)構(gòu)也趨于合理。
3、實驗驗證
機床主軸作為與刀具直接相連的關(guān)鍵部件，其動態(tài)性能對機床綜合機械加工性能有直接的影響。通過上述的分析與研究得出: 澆灌定位組合鏜軸的剛度、強度等機械性能指標(biāo)不僅能滿足使用要求，還具有良好的動態(tài)性能; 既滿足機床高轉(zhuǎn)速、高剛度的要求，又具有良好的抗振性和結(jié)構(gòu)工藝性。作為高速、高精和高效的TK6920 機床的組合鏜軸，在工程應(yīng)用上是否與研究結(jié)果相符，還需對機床的實際加工性能進行試驗驗證。
參照現(xiàn)行機床行業(yè)執(zhí)行的產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)《GB/T5289. 3-2006 臥式銑鏜床檢驗條件精度檢驗第3 部分: 帶分離式工件夾持固定工作臺的落地式機床》，對試件進行切削加工，驗證機床的工作精度。
加工及檢驗示意圖如圖9 所示，試件材料為鑄鐵( HT250) ，用螺釘緊固在夾具的安裝支架上，主要加工面為內(nèi)圓表面a1、a2，外圓表面b1、b2。鏜孔直徑d 應(yīng)等于或略大于鏜軸直徑。車削直徑D 的確定應(yīng)使( D － d) /2 的值等于或略小于平旋盤徑向滑塊的最大行程。檢驗項目如表3 所示。
從表3 可以看出: 使用了上述組合鏜軸的TK6920 機床實際加工精度在國家標(biāo)準(zhǔn)所允許的誤差范圍內(nèi)，并且加工精度高出30% ～ 50%。試驗數(shù)據(jù)表明: 澆灌定位組合鏜軸的動態(tài)性能好，機床加工精度高。
4、結(jié)論
通過對澆灌定位組合鏜軸的動態(tài)特性分析和實驗驗證得出以下結(jié)論: ( 1) 澆灌定位組合鏜軸的剛度、強度都滿足使用要求; ( 2) 澆灌定位組合鏜軸的動態(tài)性能好，既滿足機床高轉(zhuǎn)速、高剛度的要求，又具有良好的結(jié)構(gòu)工藝性和抗振性; 工藝上，澆灌定位組合鏜軸分兩部分加工，相對整體式鏜軸而言加工起來較為簡單，精度也容易保證; 抗振性上，澆灌定位組合鏜軸創(chuàng)造性地在鏜軸頭部外圓和尾部內(nèi)圓設(shè)置了錐環(huán)形縫隙，這個縫隙里面充滿具有黏、彈性的固化膠，阻尼系數(shù)大，可以起到減振、吸振的作用。
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