卧式车床支承件结构性能分析

2016-12-20王天东

决策与信息 2016年32期

关键词：振型固有频率主轴

王天东曲成

云科智能制造（沈阳）有限公司辽宁沈阳 110142

卧式车床支承件结构性能分析

王天东曲成

云科智能制造（沈阳）有限公司辽宁沈阳 110142

支承件结构设计方法主要有三种：经验类比法、力学方法和数字化设计方法,前两者为传统设计方法,后者已逐渐成为当前主流的设计方法,本文主要采用有限元工具对支承件静动态性能分析，得出了卧式车床支承件在切削载荷作用下的变形情况以及支承件的刚度分布；为支承件结构设计提供参考和对比依据；模态分析可获得支件各阶的振型和固有频率，同样可为支承件构型设计提供对比依据。

支承件；静态分析；模态分析

一、有限元建模

（一）模型处理

1、几何模型处理

为了更真实的模拟支承件在受载情况下的状态,建模时将结合六面因素考虑在内,几何实体模型为装配体,包括支承件本身和导轨、丝杠功能部件。导入有限元分析软件前去掉可能影响网格划分的一些局部小结构。

2、有限元模型处理

模型导入ANSYS后,进行如下模型处理,建立有限元模型。

（1）限元模型中对各个支承件材料进行定义。（2）螺栓和滑动导轨结合面建立接触对,分析过程中将自动实现载荷和约束的传递。（3）螺栓结合面中起固定作用的螺栓需施加螺栓预紧力:主轴箱一床鞍螺栓为40000N;尾座一床身螺栓为2000N。（4）X向和Z向丝杠分别由两个弹簧单元模拟,两向弹簧刚度值分别为4.4e6N/ mm和1.24e6N/mm。（5）弹簧单元与丝杠螺母座和丝杠轴承座之间使用自由度耦合的方式进行简化。（6）边界条件施加。主轴箱、尾座、滑板和床鞍约束施加于与之相连的床身导轨下表面;床身约束施加于地基板的下表面,约束方式为自由度全约束。

（二）有限元模型

图1.1给出了5个支承件的几何实体模型、边界条件施加位置和在ANSYS中建立的有限元模型。

二、静动性能分析

本文选取主轴箱和尾座总结它们的变形趋势,并提取模态前5阶的振型和固有频率。

（一）静态分析

1、主轴箱

图2.1中曲线图为主轴箱静态位移曲线上部为主轴回转轴线X向位移，主轴回转轴线下部为Y向位移。

图2.2中曲线图为尾座静态位移曲线上部为套筒回转轴线X向位移，套筒回转轴线下部为Y向位移。

通过观察主轴箱和尾座的静态位移云图和曲线发现两者呈现相似的变形趋势,主要为绕轴X和Y轴的扭转。现将卧式车床三类支承件的变形特点总结如下,床身主要为谁平面和垂直面内的弯曲；导轨呈现局部的弯曲和扭转；滑板和床鞍主要呈现整体的倾覆趋势，表现为左前部的下沉和右后部的上翘；导轨出现了局部下凹；主轴箱和尾座主要围绕X轴和Y轴的扭转。

图1.1　床身、床鞍、滑板、主轴箱和尾座的载荷约束施加

图2.1　主轴箱静态位移云图

图2.2　尾座静态位移云图

（二）模态分析

模态分析分为自由模态分析和约束模态分析。本文为了更准确地模拟各支承件的振动特性,进行了有约束的模态分析,其有限元模型同静态分析。

由于在进行支承件结构设计时,一般不会大幅改变支承件的主体结构(外形轮廓)和结合面位置及约束形式,而是对其进行一定的改进,如构型尺寸、筋板布置形式和壁板筋板厚度的改变等,则改进前后其应具有大致相同的振型,只是各阶固有频率的数值会有所差异。本文针对主轴箱和尾座进行了模态分析,提取了前五阶的振型和固有频率。

1、主轴箱模态振型和固有频率：一阶频率为328.95振型为整体前后摆动；二阶频率为473.23振型为整体左右摆动；三阶频率为639.81振型为绕Y轴扭转，四阶频率为883.87振型为上下摆动，五阶频率为1089.7振型为绕X轴扭转。

2、尾座模态振型和固有频率：主轴箱模态振型和固有频率：一阶频率为391.68振型为整体前后摆动；二阶频率为537.28振型为整体左右摆动；三阶频率为763.26振型为绕Y轴扭转，四阶频率为1002.26振型为沿Y向压缩与伸长，五阶频率为1097.25振型为前壁板内凹与外凸。

通过观察各支承件的模态振型和固有频率发现:主轴箱和尾座前四阶的振型相同、固有频率数值较为接近。造成这种现象的原因为：两者的结构类型、结构特征和体积(质量)接近且约束位置和方式大致相同。