盘铣刀装配状态下的动态特性分析研究*

2021-07-30耿超绪杨赫然孙兴伟董祉序王海燕

机械工程与自动化 2021年4期

耿超绪，杨赫然，孙兴伟，董祉序，王海燕

(1.沈阳工业大学机械工程学院，辽宁沈阳 110870；2.沈阳白云机械有限公司，辽宁沈阳 110027)

0 引言

螺杆转子在石油、船舶等行业应用越来越广泛，且拥有十分重要的地位[1]。在螺杆转子加工过程中，刀具质量和振动直接影响工件的加工质量和加工精度[2,3]，为此有必要对加工过程中的振动进行分析，而振动主要是由加工过程中刀具和工件系统产生，因此分析盘铣刀的动态特性是十分必要的。模态分析是动态特性分析中的一个重要环节[4,5]，它以获取分析对象的固有频率、阻尼比、模态质量和模态刚度等模态参数为目的，从而获取振动与响应的关系[6]。除模态分析外，动态特性分析的另一个重要环节为谐响应分析。

本文通过有限元分析软件对盘铣刀装配状态进行模态分析，计算出盘铣刀装配状态下的固有频率及对应的模态振型，并在模态分析的基础上进行谐响应分析，分析共振频率主要集中的位置。

1 盘铣刀的机械结构

盘铣刀的直径为Φ290 mm，包括24个硬质合金刀片，盘铣刀的主体材料为40Cr。盘铣刀中心通孔直径为Φ60 mm，盘铣刀主体4个螺栓孔用于连接主轴法兰，刀片采用螺栓与盘铣刀连接。根据盘铣刀的结构对其进行合理简化，应用SolidWorks软件建立的盘铣刀三维模型如图1所示。

图1 盘铣刀三维模型

2 盘铣刀有限元模型建立与仿真分析

2.1 盘铣刀装配状态下模态仿真分析

将盘铣刀和主轴装配三维模型导入ANSYS软件中。主轴结构相当于简支梁，两端由轴承提供支撑，根据安装原理设置边界条件。对于螺栓连接部分，由于盘铣刀刀片与刀体螺纹连接预紧力较小，因此采用MPC法对螺纹连接区域进行简化，能够准确地反映螺栓连接的结合部，且能够提高计算效率。经过计算得到盘铣刀装配状态下的前6阶模态振型，其前6阶固有频率如表1所示，前3阶模态振型如图2所示。

图2 盘铣刀装配状态下的前3阶模态振型

表1 盘铣刀装配状态下的前6阶固有频率

盘铣刀在装配状态下的前6阶模态振型分别为：盘铣刀主轴轴线的转动变形、盘铣刀沿主轴轴线的摆动、盘铣刀沿主轴轴线的摆动、盘铣刀沿主轴轴线的移动变形、盘铣刀沿主轴轴线的扭转变形和盘铣刀沿主轴轴线的扭转变形。

2.2 盘铣刀装配状态下的谐响应分析

应用ANSYS软件对盘铣刀装配状态进行谐响应分析时采用模态叠加法，选取变形最大的位置施加300 N的简谐作用力，方向沿着z轴负方向。将谐响应分析求解设置中最大频率范围设置为10 000 Hz，求解间隔设置为400，即将求解频率范围分为400等份，分别得到盘铣刀在x轴、y轴和z轴的位移频响曲线，如图3所示。

图3 盘铣刀装配状态下x、y、z方向位移频响曲线

根据图3(a)能够分析出x方向的响应频率峰值出现在1 725 Hz、3 925 Hz和4 400 Hz附近；根据图3(b)能够分析出y方向的响应频率峰值出现在1 725 Hz、1 800 Hz、3 925 Hz和4 400 Hz附近；根据图3(c)能够分析出z方向的响应频率峰值出现在1 725 Hz、3 925 Hz和4 400 Hz附近。由模态分析得到的盘铣刀装配状态固有频率可知，由于盘铣刀存在重根模态的影响，故会出现重复频率，因此在盘铣刀装配状态下谐响应分析的0 Hz～10 000 Hz频率范围内，盘铣刀装配状态下的1～6阶固有频率容易被激发。