高速电主轴的模态分析

2013-11-26 03:11张海杰徐海利王广辉王高峰

机械制造 2013年4期

□ 张海杰 □ 徐海利 □ 王广辉 □ 王高峰

洛阳轴研科技股份有限公司河南洛阳 471039

高速加工能显著地提高生产率和降低生产成本，是一项非常有前景的先进制造技术。实现高速加工的首要条件是高品质的高速机床，而高速电主轴是高速加工中心的关键部件。电主轴系统的动态特性又是影响其性能的主要因素之一，因此，有必要对电主轴的模态特性进行有限元分析。

1 有限元分析模型的建立

以高速电主轴HCM80B为例，最高转速为15 000 r/min，如图1所示。主轴是一个阶梯轴，具有中空、多支承的特点。同时，主轴承受多种载荷，包括主轴前端承受切削力和弯矩、内装电机转子传递给主轴的转矩等，主轴在5个轴承支承下高速旋转，因此，该主轴是一个较复杂的超静定梁结构。另外考虑主轴轴承非线性弹性变形的特点，主轴轴承的刚度不是一个定值，而是轴承所受载荷（主轴支反力）的函数。因此分析计算主轴的静刚度，需要采用有限元结合迭代法来进行。但由于其结构对称，形状简单，为了计算方便，将其作为空间弹性梁来处理，以下是对电主轴单元更为详细的简化。

①将角接触球轴承和圆柱滚子轴承简化为弹性支承，支点位置在接触线与主轴轴线的交点处。

②认为轴承只具有径向刚度、不具有角刚度，如此将支承进一步简化为径向的压缩弹簧质量单元，即梁的径向采用弹性边界元来模拟轴承支承。

③忽略主轴负荷及转速对轴承刚度的影响，视轴承刚度为一个不变的常数。

④将电机的转子和套筒以及轴承隔套等效为同密度轴材料，作为主轴的附加分布质量，等效到所在单元的节点上。

根据上述简化原则，并按照有限元分析的要求，建立三维有限元分析模型，如图2所示。

本模型采用沿轴旋转面的方式建立实体模型和有限元网格。先建立一个截面,然后沿一根轴线来旋转生成模型和网格，选用Solid92三维实体结构单元对主轴主体进行网格划分。由于在轴的中间部位装配有电机转子,所以将电机转子等效为同密度轴材料，作为主轴的附加分布质量，等效到所在单元的节点上。轴承支承采用弹性边界元来模拟，每个轴承弹性支承均由4个均布的弹簧组成,每个弹簧用一个弹簧-阻尼单元Combin14模拟。