晶硅磨面倒角一体机磨床主轴谐响应分析

崔陈晨 杨 勇 段景波 解培玉

（青岛高测科技股份有限公司 山东 青岛 266114）

太阳能属于可再生能源的一种，具有储量大、永久性、清洁无污染、可再生、就地可取等特点，成为目前人类所知可利用的最佳能源选择。国家对于光伏产业的支持力度不断加大，每年都会出台新的政策建设，将有效带动行业设备的高速发展。

随着国内光伏发电规模扩大和技术快速进步，越来越多的高效加工模式得以应用，砂轮硬度均匀和稳定及硬度高低的合理选择，是保证磨削质量的重要前提。提高砂轮工作速度，可显著提高磨削效率和磨削比，如砂轮的磨削速度提高40%，磨削比可增加一倍，降低磨削成本。金属和树脂结合剂的金刚石砂轮，线速度通常为15～35 m/s，陶瓷结合剂CBN砂轮的线速度可提高到45～160 m/s，单层CBN砂轮的线速度可选用125～250 m/s。

硅棒磨削的砂轮法向力高于切向力，对砂轮主轴刚度要求很高，主轴采用精密主轴滚动轴承结构，前端四盘主轴轴承，后端两盘轴承。砂轮主轴支撑座设置回转中心，根据磨削需要可对砂轮主轴进行左右适当的调整，以满足磨削表面质量的要求。

1 模型简化

在三维软件Creo2.0中建立几何模型，并对其进行简化处理：

（1）删除螺纹孔、小台阶、倒角、圆角等细小特征；

（2）删除螺钉、螺母等连接件；

（3）利用简单结构的实体模型代替复杂结构的部件；

（4）在保证整体结构不变的情况下，可修改各模型的尺寸，保证各零件装配正确。

通过对几何模型的简化，可提高网格划分的质量，节约仿真计算的时间，将简化后的模型导入ANSYS，主轴材料设定为42CrMo（表1），主轴转速设定为6000 r/min，划分网格，如图1所示。

表1 42CrMo材料性能参数

图1 主轴边界条件加载示意图

2 划分网格

划分网格是建立有限元分析的一个重要环节，网格数目的多少将影响计算结果的精度和计算规模的大小。一般来说，网格数目增加，计算精度会有所改进，但同时计算规模也会增加，所以在确定网格数目时应权衡两个因素综合考虑。网格疏密是指在结构不同部位采用大小不同的网格，这是为了适应计算数据的分布特点，应力集中处应划分比较密集的网格，应力变化梯度较小的部位，为减小模型规模，应划分相对稀疏的网格。

对简化的主轴模型选择合理的网格单元尺寸，主轴总长度600 mm，选择网格尺寸为1～10 mm，采用带有中间节点的六面体单元自动划分网格，节点数约5.1万个，单元数7.7万个，如图2所示。

图2 主轴网格划分

3 有限元分析计算

如图3所示，加载主轴预紧力9400 N，转速628 r/min ，运行主轴应力、位移和模态，结果仿真如图4、图5、图6所示。

图3 加载预紧力示意图

图4 应力分布图

图5 位移分布图

图6 模态分布图

主轴经过有限元分析得最大应力为3.6 MPa＜250 MPa；最大位移量为0.003 mm，位移较小满足使用要求；一阶模态频率2098.8 Hz＞117 Hz，符合设计要求。

4 两组磨削主轴共振谐响应分析

简化网格：

（1）简化底部滑块为固定约束；

（2）简化顶部锁紧气缸为直杆固定，无铰接；

（3）简化主轴和轴承内隔套为一体，且与筒壁无过盈，无摩擦；

（4）简化导轨整体为钢材，且导轨绑定到支座上；

（5）材料属性为系统默认的结构钢和灰铸铁；

（6）简化电机、磨头为质量点；

（7）简化圆角和细部小特征；

（8）不计间隙、过盈状态；

（9）简化轴承为实心圆环、螺栓为梁单元。

网格划分结果如图7所示。

图7 主轴系统网格划分

在零件之间按照实际情况一一创建接触对，摩擦因数设置为0.2，预压导轨摩擦系因数为0.15，如图8所示。

图8 零件接触状态

加载螺栓预紧力（红色箭头）、重力（黄色箭头）和底部固定约束（粉红），如图9所示。

图9 边界条件（加载）

主轴系统经过有限元分析，得到如图10所示的应力变形结果，最大位移量为0.108 mm，发生在轴承套抱紧位置，且位移较小满足使用要求。

图10 主轴系统应力变形量

设置主轴和内隔套为旋转体，转速从50 r/min升至7000 r/min，转子动力学有限元分析，如图11、图12所示。结果显示在6925.5 r/min时为临界转速，与结构共振，振型为二阶振型，（另，如果计入轴承钢球则各转速模态会有轻微变化，本例各阶频率恒定。）

图11 转子动力学模态分析设置

图12 转子动力学坎贝尔图

经过对两粗磨主轴共振谐响应分析，得到如图13所示的二阶模态振型图，得出6925.5 r/min为设备的共振转速；实际应用中，设备最大运行转速为6000 r/min，小于设备共振转速，避免了设备发生共振。

图13 二阶模态振型图（体现为后端上下振荡）

5 机床性能保障技术

主轴高速磨削，要求加工稳定性好、振动小、线速度高。例如，在2001年中国国际机床展上展出的PLANOMAT系列平面和成形磨床砂轮的工作速度为170m/s。因此，对磨床设计有如下要求：

（1）砂轮主轴回转精度要高。

（2）磨床刚度要好，一般要求比普通磨床高50%左右，通常应不小于100 N/μm的数量级。

（3）磨床进给系统的精度要高，进给速度应均匀准确，纵向进给最小速度应达0.3 m/min，横向进给（切深）应达单行程 0.001～0.002 mm，以保证磨削的尺寸精度、几何形状精度和表面粗糙度。

（4）磨床各运动件，如头架主轴和轴承部分、进给运动导轨部分等应有可靠的密封，以防超硬磨料进入，加速机件的磨损。

（5）要有比较完善的磨削液过滤和供给系统，过滤精度应小于0.5 μm。

（6）磨床各部分应有相应的防振和隔振措施，砂轮应作精细动平衡。

6 结语

本文研究了磨床主轴在正常工作转速的情况下，通过有限元分析软件ANSYS进行模型简化和应力、应变、模态分析，通过分析结果，静力学性能和动态性能均符合设计要求，结构可靠。

通过对相邻两磨削主轴的共振谐响应分析，获取了主轴磨削发生共振频率的临界转速，研究结果显示， 6925.5 r/min为临界转速，与结构共振，为避免共振，主轴系统的工作转速应避开临界转速。

分析结果与实际测试相符合，可推广至相似结构的分析，更好地应用于实践。