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精密高速电主轴动力学特性及轴承刚度软化分析

2022-07-14 作者:火狐体育官网   来源:火狐体育官方网站app

  DynamicsCharacteristics BearingStiffness Softening PrecisionHigh-Speed Motor Spindle System 北京信息科技大学现代测控技术教育部重点实验室 针对某精密高速电主轴系统,介绍主轴的系统结构,分析其高速加工状态下的特点和影响要素, 对主轴和轴承采用有限元建模方法,用弹簧阻尼单元模 拟主轴轴承支承。对不同弹簧单元布置形式下主轴系 统的静力学特性,谐响应和模态进行了分析研究。在主 轴高速加工的状态下,采用有限元法研究了基于高速旋 转状态下轴承软化效应的主轴系统动特性,结果表明该 种方法对于高速运行状态下能一定程度对动力学特性 的变化规律进行仿真模拟,为快速分析高速下由于轴承 软化现象引起的系统固有频率变化提供了一种思路。 关键词:电主轴 有限元模型 动力学特性分析 轴承软化效应 [ABSTRACT] precisionhigh speed spindle sys- tem spindle structure introducedIts characteristics uencefactors highspeed processing working condi- tion modelingspindle bearingsusing finite element method through spring-damper unit instead spindlebearing, spindlestatic mechanical properties, modal harmonicresponse anal- ysis studiedunder different spring element arrange- ment types High speed bearing softening effect spindlesystem dynamic charact erist ics discussedunder highspeed machining status usingfi nite element method newidea spindlesystem dynamic analysis Keywor ds pindl ystem Fi ni te el mentanalysis model Dynamic characteristics analysis Bearing softening effect 随着科学技术的发展,高速精密加工技术已广泛应 用于高端装备制造各个行业。高速精密数控机床目前 成为现代化制造业的关键生产设备。提高高速精密数 控机床在加工运行过程中精度的可靠性、稳定性和可维 护性,对提升企业竞争力越来越重要 北京市自然科学基金重点(KZ9),国家自然科学基金(512 7505 2),北京市高等学校人才强教深化计划(PHR201106132) 资助。 的工作性能,取决于机床的主轴系统。主轴也是最容易 失效的部位之一,主轴系统在加工过程中由于各种原因 会引起回转精度劣化和功能丧失,严重影响产品加工精 度和质量。如精密车削的圆度误差 30%~70% 由主轴的 回转误差引起 。加工的精度越高,所占的比例越大。其动态性能的好坏对机床的切削抗振性、加工精度及表 面粗糙度均有很大的影响,是制约数控机床加工精度和 使用效率的关键因素。 国内外学者对机床主轴系统进行了大量的研究,取 得了大量的研究成果。总体上,主轴动特性分析主要分 为传递矩阵、实验、有限元和阻抗耦合法等。Gao ;Chi-WeiLin Timoshenko梁模型,为主轴建模分析奠定了基础 Schmitz等采用有限元法对主轴系统动力学 性能进行研究 ;Rantatalo等指出轴承的刚度软化是影 响主轴系统动态特性重要因素 ;孙伟等研究比较了主轴高速和静态的动力学特性的比较 。对主轴动特性的分析主要采用试验分析方法,受试验仪器设备的限 制。如何利用理论模型分析精密主轴系统在高速状态 下的动态特性还需要深入研究。 主轴在高速加工的状态下的动力学特性与低速或 静态时明显不同。针对某精密高速电主轴系统,介绍主 轴的系统结构,分析其高速加工状态下的特点和影响要 素,构建有限元模型,进行静态特性研究,分析了谐响应 和模态特点。并从轴承软化效应这个角度研究高速旋 转状态下主轴系统的动特性。以便为研究高速状态下 有效抑制非稳定状态的振动的策略提供依据。 精密高速主轴系统有限元建模方法高速加工机床目前多用结构简单,刚性好电主轴, 电主轴转速可达数万转甚至十几万转。合理科学的动 力学模型是对主轴系统动力学特性进行预测和评估的 重要手段。研究主轴系统在高速运行状态下的动特性, 可揭示高速超精密加工主轴系统的稳定性机理,方便确 定稳定状态的临界条件,并提供抑制振动的有效途径和 策略。对主轴系统建模时,考虑的影响因素越多,所建立的动力学模型越和实际贴近,分析精度越准确。但是 模型太复杂反而导致计算困难。 程可以表示为: 所示,为某精密高速主轴系统的结构简图,主轴转速为 12000~20000rmi n。前轴承 为考虑离心力效应时的附加质量矩阵;G 为外力矢量。上标“b”代表梁单元,Ω 为转速。 12 主轴角接触球轴承的建模 角接触球轴承具有低摩擦特性,既能承受切削产生 的径向和轴向载荷,又可满足高 速加工的要求,便于维修且成本 低。本高速精密主轴系统用角接 触球轴承取代圆柱滚子轴承和推 力球轴承,构建动力学模型时,以 支撑刚度和支撑阻尼的形式将轴 承的动力学特性引入到系统中。 Jones 轴承模型是目前较完备的轴 承动力学模型。由于受轴承的几 何形状、预紧力和外载荷的综合 影响,主轴系统表现为变刚度、变 阻尼的非线性系统。 弹簧单元 combi n14 本身不 考虑长度,只考虑弹性模量与阻 Fig1 Diagram precisionhigh speed spindle system 尼。具有轴向拉伸或扭转的性能, 能较好地模拟轴承的刚度。采用 11 主轴的建模 依据有限元法对主轴进行建模,图 为主轴的示意图。建模时使用的单元有实体单元、梁单元及管单元等。 实体单元可精确求解系统的静刚度或轴承的径向载荷。 但运算速度缓慢。分析时采用 TIMOSHENKO 梁单元建 立轴对称结构有限元模型,结构简单,精度较高。 主轴系统在高速旋转时,离心力使角接触球轴承内 滚道和外滚道接触区的变形发生变化,使轴承径向支撑 刚度随着角速度的增加而逐渐减少,发生轴承刚度软化 现象。主轴在高速运转状态下 还会产生轴系离心力 和陀螺力 矩等现象。高速运转状态下的 主轴系统 动力学特性将与静止 或低速状态下的系统有着明显 的不同。离心力效应和轴承软 化效应将会对系统固 有频率有 较大影响。综合考虑各项效应, 才能比较 准确地分析高速主轴 弹簧单元 combin14,自定义外节点的径向位置。将每个 轴承简化成 个均布在主轴外圆的弹性阻尼单元模拟。在轴承外节点处添加全约束,内圈接触面添加轴向约 主轴示意图Fig2 Diagram spindlestructure 系统的动力学特性。 高速主轴 系统与转子动力 学常用的类似,梁单元的运动方 主轴弹簧单元布置方式Fig3 Spindle spring elements arrangement type 弹簧刚度 布置方式34810 前支撑后支撑 组弹簧34810 1821718228 32228 38131 38142 47821 1865218665 32228 40151 40171 47821 1887518889 32228 41209 41236 47821 所示。单个轴承预紧后的径向刚度计算公式如下: 为滚动体直径;Z为轴承滚动体数目;α 为接触 a0为轴向预紧力。根据上述公式,该主轴轴承采用 71915ACDP4A 角接触球轴承和 SKFN212ECM* 单列圆 柱滚子轴承,具体刚度值如表 激振力施加位置及方向Fig4 Stirring force imposed position 不同弹簧单元组的固有频率主轴系统总体考虑上述影响因素,集成主轴转子、 转盘、主轴箱及轴承模型,主轴系统的运动方程为: 主轴系统的模态分析为转盘回转矩 主轴材料为 20CrMnMoH,采用四面体法进行网格 划分,如图 所示。根据工作状况,主轴在轴向固定,在径向有自由度。分析时,主轴左端采用轴向固定约束, 支撑节点进行全约束,后支撑节点轴向自由度放开。前 支撑为角接触球轴承,故对其内节点轴向自由度进行约 束,后支撑内节点保持自由状态。主轴动力学模型建好 后,分别基于以上有限元模型进行主轴模态分析。模态 分析方法采用 Block Lanczos 法。给出 组弹簧单元、3组弹簧单元和 所示。可以看出使用 阶固有频率,随着弹簧单元组数增多,固有频率上升。 主轴系统的谐响应分析主轴系统在加工时,会有周期性的激振力作用在主 轴上。当激振力的频率与主轴部件的固有振动频率相同 就会发生共振,对机床造成严重破坏。谐响应分析用于确定线性结构在承受随时间按正弦(简谐)规律变化 的载荷时的稳态响应,分析过程中只计算结构的稳态受 迫振动,不考虑激振开始时的瞬态振动,目的在于计算出 结构在几种频率下的响应值(通常是位移)对频率的曲 线,来预估结构的持续性动力特性,验证设计是否能克服 共振、疲劳以及其他受迫振动引起的不良效应。 谐响应分析建模过程与静态相 同,在预测的 600~1200Hz 范围内,在主轴前端卡盘施加正弦力,激 振力施加位置及方向如图 所示。得到主轴的应力频响响应和变形频率响应曲线。从曲线Hz 频率附近,应力和变形突然增大,这是因为电主 阶的固有频率引起共振。机床临界转速和固有频率的关系如下式: c1的主轴,n075n c1 ,对于工作转速高于其一阶临界转 速的主轴,14n kn07n k+1 。各阶固有频率与临界转速如 各阶固有频率与临界转速1200007511912=83934rmin。 主轴系统在设计转速内工作,不会产生共振现象, 不会产生受迫振动引起的不良效应。 高速运行状态下的主轴动特性仿真分析主轴高速运行状态下,转子陀螺力矩、转子离心力 和轴承软化是主轴固有频率变化的主要因素。要准确 地仿真高速主轴系统的动力学特性,须综合考虑主轴转 子的陀螺力矩、离心力效应和轴承的软化效应。主轴系 统在高速旋转时角接触球轴承的支撑刚度会随着角速 度的增加而逐渐减少,即轴承刚度软化现象 。产生这种现象的原因是由于离心力使角接触球轴承内滚道和 外滚道接触区的变形发生变化,从而导致轴承径向支撑 刚度发生变化。目前主要的研究方法就是通过实际的 测试实验进行分析,如曹宏瑞等 [10] 经过分析后认为,在 高速旋转状态,主轴转子的离心效应和轴承软化效应对 系统固有频率影响较大,转子陀螺力矩的影响较小。随 着主轴转速的升高,在滚动体离心力和陀螺力矩的作用 下,轴承的轴向刚度和径向刚度都有所降低,当转速升 12000rmin时,轴承的轴向刚度和径向刚度分别下 降了 97% 10%。轴承软化引起主轴固有频率变化的40% 左右,可看出轴承软化是高速状态下系统固有频率 降低的主要因素。 按照文献 [11-12] 主轴角速度 与角接触球轴承 支撑径向刚度关系表达式为: 为轴承内、外圈接触角。k 都是角速度的函数。采用 组弹簧单元模型,试图探索出利用有限元模型分析主轴系统高速运行下固有频率的变化规律。按 照文献 [10] 提供的实验规律,将支撑刚度降低 10%, 分析在静态下、500rm n、1000rmi n、5000r mi n、10000r min、12000rmin下,主轴系统的固有频率。 可以看出,1、4阶模态下固有频率随着转速 的升高而下降,下降的幅度较小,说明在这种情况下,呈 现刚度软化作用。但是还要看到采用有限元分析精密 主轴系统高速运行状态下的动特性,仅考虑轴承刚度软 化还不能完全反映主轴高速下的运行状态特性,还要综 合考虑陀螺、离心力以及热的影响。 结论主轴系统的动力学特性对机床的切削抗振性、加工 精度及表面粗糙度有很大的影响,是制约数控机床加工 精度和使用效率的关键因素。本文针对某精密高速电 主轴系统,给出了主轴的结构,分析了高速加工状态下 的主轴的运行特点和影响动力学特性的要素。 用弹簧阻尼单元模拟主轴轴承支承,对主轴和轴承 构建了有限元模型,分析讨论了弹簧单元布置形式下主 轴系统的静力学特性,谐响应分析和模态分析。针对在 主轴高速加工的状态下轴承软化效应的特点,探索了一 种基于有限元模型的分析方法来研究高速旋转状态下 主轴系统的动特性。结果表明该种方法对于高速运行 状态下能一定程度对动力学特性的变化规律进行仿线; 1866532228 40151 40171 47821 1908519080 19075 19070 19065 19060 19055 19050 19045 10040 19035 静止 500 1000 5000 10000 12000 measu rem ent erna &Manufacture,2007, 4778 1034-1045 高速主轴系统静止及运转状态下动力学特性对比分析 机械工程学报,2012,4811:146-152[10] 振动工程学报,2012,252:103-108 [11] Jones Generaltheor elasticallycons tr ai ne rollerbeari ngs under arbitrary load speedconditions ASME Trans, 4115 4110 4105 4100 4095 4090 转速 (rmin -1 阶模态Journ al BasicEngineering,1960,822:30 9-320 [12] 超高速时电主轴轴承的动态支承刚度分析 机械工程学报,2006,4211:60-65(责编 深蓝) (上接第 76 三种不同的进气道与弹体组合体雷达散射截面特性 南京航空航天大学学报,2002,346:517-521 [20] 一种隐身外形弹体下埋入式进气道的进气机理与低速实验研究 空气动力学报,2003,212:182- 188 静止 500 1000 5000 10000 12000 [21] 余安远,乐嘉陵,郭荣伟 隐身外形飞行器用埋入式进气道转速 (rmin -1 阶模态下固有频率变化Fig5 Natural frequency ordermode 模拟,为快速分析高速下由于轴承软化现象引起的系统 固有频率变化提供了一种思路。但是由于高速运行状 态下受力受热情况复杂,还需要将理论分析与实验研究 相结合,进一步深入研究。 超精密加工领域科学技术发展研究 Nonlinearresponse nonsmoothbif ur ca ti ons unbalancedmachine-tool spindle-bearing syst em Nonlinear Dyn,2008,54:365-377 therm mechan ica dynamicmodel characterizemotorized machine tool spindles durin veryhigh speed rotation International Jour nal MachineTool Manufacture200 improvedtwo-node finite element naturalfre que nci es axia loade Timoshenkobeams Computers Structures,1995,57 1:141-149 高频变流诱发的电主轴高次谐波振动及其抑制方法 2008,216 predictingcha tt er stability speed-dependent spi nd le dyna mi Transa ct ion NorthAmerican Manufacturing Research Institute SMEConference, Charlotte, 2004, 32: 17-23 oranss machinespindl analysisusi ng FEM non-contactspindle excitation 的设计与风洞实验研究 空气动力学报,2007,252:150-156[22] 一种大偏距埋入式进气道气动特性试验 航空动力学报,2011,269:2133-2140 [23] 李学来 自然科学版 ,2001,296:61- 66 (责编 深蓝) (上接第 80 逃逸、纠正措施执行状态、让步接收情况等质量指标评 估结果进行调整,随着构型成熟和工 序能力的稳定而逐 渐从全检向抽检过渡。在供应商及主制造商质量体系 及构型管理受控的基础上,保证构型信息的可得性和追 溯性,同时确保设计构型、工艺构型和制造构型之间的 符合性。 在型号取证后,除客户定制和适航规章修改外,构 管理和流转系统,从而确保构型信息的有序流转;并且 在构型管理效果、成本与效率之间进行更好的平 为了建立完整的构型管理系统,需要对构型更改管理进行更深入的研究,并在项目开展中不断进行摸索, 最终完善中国民机的构型管理水平。 ensu Stand ar Configur ati Management,1998, EIA BilateralAgre eme nt between FAA CAAC:Process Guidelines ConformityInspectio ARJ-21Program 民用飞机设计与研究,20033:40-46 (责编 小城)


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