石油筛管数控多刀铣床刀轴箱动态性能分析

2018-05-25吴学宏,芮执元,杨贺来等

制造业自动化 2018年5期

0 引言

石油筛管数控多刀铣床是用于切割石油筛管缝的大型专用数控机床。该机床具有同时加工80条缝的能力，其中支撑80个主轴的箱体组（每个箱体铸造而成，支撑4根主轴）的动态性能直接影响着机床的加工精度及精度的稳定性。要保证机床具有良好的动态性能，首先必须保证与刀具及主轴密切相关的20个刀轴箱的动态性能。

一般机械结构系统动态优化准则[1,2]为：1）提高各阶固有频率；2）各阶固有频率尽量均布；3）避免固有频率与外界激励频率一致引起共振；4）各子结构的动刚度不出现明显的薄弱环节。

本文利用有限元分析技术对其机床刀轴箱进行动态分析，提出了结构优化方案。

1 建立刀轴箱有限元模型

1.1 材料属性与边界处理

刀轴箱所选材料为灰铸铁HT300，材料为各向同性，介质均匀。材料属性参数为：杨氏弹性模量E=1.3MPa，泊松比由于刀轴箱安装时采用4个螺栓与机床拖板连接，为了模拟实际工况，因而边界处理时将箱体与螺栓结合面进行全约束。

1.2 有限元网格划分及求解

刀轴箱长602mm，宽332.5mm，高60mm，利用ANSYS14.0有限元软件提供的solid186（20node186）单元进行网格划分。划分后共有92723个节点，52092个单元，得到有限元模型如图1所示。进行模态分析，求解刀轴箱体前6阶固有频率和振形。

图1 刀轴箱有限元模型

2 刀轴箱模态分析

由于低阶模态对振动系统的动态性能影响较大[4]，本文仅提取了刀轴箱的前6阶模态，给出刀轴箱前6阶固有频率和相应振型，如表1所示。参考坐标系如图2所示。

表1 刀轴箱前6阶固有频率和相应振型

根据模态分析，可以对刀轴箱的结构进行评价。刀轴箱前6阶固有频率都在300Hz以上，具有较高的低阶固有频率，说明刀轴箱具有较好的刚性[5]。刀轴箱的相对位移变形量主要集中在Y方向和X方向，Z方向的振动尽管较小，但均大于加工精度，故结构动刚度较差。

图2 刀轴箱1阶模态云图（751.51Hz）

图3 刀轴箱2阶模态云图（774.29Hz）

刀轴箱1阶模态如图2所示。由于长边侧沿Y轴摆动,最大摆动位移为0.017mm，将会使主轴产生轴向窜动。短边侧沿X轴摆动，会使加工缝产生位置偏差。图3所示为刀轴箱2阶模态。箱体长边侧沿Y轴摆动，最大摆动位移为0.017mm，使主轴产生轴向窜动，加工出的缝宽产生误差。而机床设计加工缝宽误差是0.015mm，模态1和模态2产生的轴向窜动误差均大于0.015mm，不仅会影响加工缝宽的精度，而且会发生崩刃现象，从而在很大程度上影响机床的精度。

图4 刀轴箱3阶模态云图（942.54Hz）

图5 刀轴箱4阶模态云图（1048.1Hz）

图4所示为刀轴箱的3阶模态。由于箱体长边侧沿Y轴扭动，会使主轴在轴向产生窜动，且四根主轴的窜动不同步。短边侧沿X轴摆动，使主轴在每一工位加工时定位精度降低。图5所示为刀轴箱4阶模态。箱体长边侧中间部分沿Y轴摆动，使中间两根轴产生轴向窜动。短边沿X轴摆动，降低加工定位精度。3阶和4阶模态下的最大位移均为0.02mm，已超出加工误差0.015mm，会影响机床加工精度。

图6 刀轴箱5阶模态云图（1139.7Hz）

图7 刀轴箱6阶模态云图（39992.7Hz）

图6所示为刀轴箱5阶模态。箱体长边侧沿Y轴扭动，会影响主轴轴向窜动，最大位移为0.04mm，短边侧沿X轴摆动，最大摆动位移为0.016mm，已超过尺寸偏差范围。图7所示为刀轴箱6阶模态，箱体长边侧沿Y扭动，使主轴产生轴向窜动，且窜动不同步。短边侧沿X轴摆动，产生主轴定位偏差。

由于刀轴箱各个方向的振动位移量均超出加工误差，因此，刀轴箱在结构动刚度方面仍需进一步优化。另外该机床对加工缝宽度要求严格，即要求轴向振动位移须很小。该结构中1阶、2阶模态时产生的振动位移可能使刀具损坏，影响缝宽，从而影响整个机床加工精度。再者每个刀轴箱支撑4根主轴，轴间距固定，这不能满足轴间距和轴向缝间距可任意改变的需求。所以，仍需对刀轴箱结构加以优化。

3 优化措施

通过以上分析，刀轴箱主要存在以下问题：

1）各阶模态下产生的最大位移均已超出加工误差，这对保证缝宽加工精度，刀具免受损，整机动态性能等都会产生严重影响。

2）刀轴箱本身存在的问题，如：刀轴箱壳体前后轴承孔的不同心度，锥度和不圆度等。

3）刀轴箱所用轴承精度，刀轴自身加工精度，刀轴箱轴承孔的加工精度对整机加工精度产生的积累误差。

通过改变刀轴箱结构布局和关键参数，分析固有频率、动态响应等结构参数的变化情况，选择适合的结构布局和尺寸，提高结构的动态性能[6]。

3.1 刀轴箱结构优化

在保证刀轴箱宽度不变的情况下，研究其长度变化对固有频率的影响，同时，考虑刀轴箱长度变化对轴向振动位移的影响。综合长度变化引起的固有频率和振动位移变化，选取合适的长度保证前6阶固有频率比原结构大幅提高，轴向振动位移比原结构显著减小，增加结构动刚度和加工精度。要保证轴间距和轴向缝间距可调，需使组合轴形式变为独立轴形式[7]。

3.2 提高刀轴及刀轴箱制造精度

1）刀轴轴颈的不同心度将直接引起刀轴径向跳动；而刀轴轴颈的锥度和不圆度在装配时将引起滚动轴承内滚道变形，破坏其精度。所以需提高刀轴加工时的同心度、锥度和不圆度，以此提高刀轴箱结构动刚度。

2）刀轴箱壳体前后轴承孔的不同心度，锥度和圆度等对刀轴加工精度有严重的影响。轴承孔的锥度和圆度，其中最重要的是轴承内滚道表面的圆度、光洁度以及滚动体的尺寸差，将引起轴承外圈变形，影响轴承可以调整的最小间隙。数控铣床在工作时，刀轴箱与床身台面的振摆在收紧轴承时，将使轴承滚道面产生不规则的变形，不只是引起轴向跳动，而且会使刀轴产生径向跳动，同时会引起刀轴在旋转一周的过程中，产生轻重不匀的现象，甚至导致刀轴发热[8]，进而影响精度及精度的稳定性。所以提高刀轴箱壳体前后轴承孔制造时的同心度、锥度和圆度是提升刀轴箱及整机动态性能的重要措施。