石油篩管數控多刀銑床刀軸箱動態性能分析

0 引言

石油篩管數控多刀銑床是用于切割石油篩管縫的大型專用數控機床。該機床具有同時加工80條縫的能力，其中支撐80個主軸的箱體組（每個箱體鑄造而成，支撐4根主軸）的動態性能直接影響著機床的加工精度及精度的穩定性。要保證機床具有良好的動態性能，首先必須保證與刀具及主軸密切相關的20個刀軸箱的動態性能。

一般機械結構系統動態優化準則[1,2]為：1）提高各階固有頻率；2）各階固有頻率盡量均布；3）避免固有頻率與外界激勵頻率一致引起共振；4）各子結構的動剛度不出現明顯的薄弱環節。

本文利用有限元分析技術對其機床刀軸箱進行動態分析，提出了結構優化方案。

1 建立刀軸箱有限元模型

1.1 材料屬性與邊界處理

刀軸箱所選材料為灰鑄鐵HT300，材料為各向同性，介質均勻。材料屬性參數為：楊氏彈性模量E=1.3MPa，泊松比由于刀軸箱安裝時采用4個螺栓與機床拖板連接，為了模擬實際工況，因而邊界處理時將箱體與螺栓結合面進行全約束。

1.2 有限元網格劃分及求解

刀軸箱長602mm，寬332.5mm，高60mm，利用ANSYS14.0有限元軟件提供的solid186（20node186）單元進行網格劃分。劃分后共有92723個節點，52092個單元，得到有限元模型如圖1所示。進行模態分析，求解刀軸箱體前6階固有頻率和振形。

圖1 刀軸箱有限元模型

2 刀軸箱模態分析

由于低階模態對振動系統的動態性能影響較大[4]，本文僅提取了刀軸箱的前6階模態，給出刀軸箱前6階固有頻率和相應振型，如表1所示。參考坐標系如圖2所示。

表1 刀軸箱前6階固有頻率和相應振型

根據模態分析，可以對刀軸箱的結構進行評價。刀軸箱前6階固有頻率都在300Hz以上，具有較高的低階固有頻率，說明刀軸箱具有較好的剛性[5]。刀軸箱的相對位移變形量主要集中在Y方向和X方向，Z方向的振動盡管較小，但均大于加工精度，故結構動剛度較差。

圖2 刀軸箱1階模態云圖（751.51Hz）

圖3 刀軸箱2階模態云圖（774.29Hz）

刀軸箱1階模態如圖2所示。由于長邊側沿Y軸擺動,最大擺動位移為0.017mm，將會使主軸產生軸向竄動。短邊側沿X軸擺動，會使加工縫產生位置偏差。圖3所示為刀軸箱2階模態。箱體長邊側沿Y軸擺動，最大擺動位移為0.017mm，使主軸產生軸向竄動，加工出的縫寬產生誤差。而機床設計加工縫寬誤差是0.015mm，模態1和模態2產生的軸向竄動誤差均大于0.015mm，不僅會影響加工縫寬的精度，而且會發生崩刃現象，從而在很大程度上影響機床的精度。

圖4 刀軸箱3階模態云圖（942.54Hz）

圖5 刀軸箱4階模態云圖（1048.1Hz）

圖4所示為刀軸箱的3階模態。由于箱體長邊側沿Y軸扭動，會使主軸在軸向產生竄動，且四根主軸的竄動不同步。短邊側沿X軸擺動，使主軸在每一工位加工時定位精度降低。圖5所示為刀軸箱4階模態。箱體長邊側中間部分沿Y軸擺動，使中間兩根軸產生軸向竄動。短邊沿X軸擺動，降低加工定位精度。3階和4階模態下的最大位移均為0.02mm，已超出加工誤差0.015mm，會影響機床加工精度。

圖6 刀軸箱5階模態云圖（1139.7Hz）

圖7 刀軸箱6階模態云圖（39992.7Hz）

圖6所示為刀軸箱5階模態。箱體長邊側沿Y軸扭動，會影響主軸軸向竄動，最大位移為0.04mm，短邊側沿X軸擺動，最大擺動位移為0.016mm，已超過尺寸偏差范圍。圖7所示為刀軸箱6階模態，箱體長邊側沿Y扭動，使主軸產生軸向竄動，且竄動不同步。短邊側沿X軸擺動，產生主軸定位偏差。

由于刀軸箱各個方向的振動位移量均超出加工誤差，因此，刀軸箱在結構動剛度方面仍需進一步優化。另外該機床對加工縫寬度要求嚴格，即要求軸向振動位移須很小。該結構中1階、2階模態時產生的振動位移可能使刀具損壞，影響縫寬，從而影響整個機床加工精度。再者每個刀軸箱支撐4根主軸，軸間距固定，這不能滿足軸間距和軸向縫間距可任意改變的需求。所以，仍需對刀軸箱結構加以優化。

3 優化措施

通過以上分析，刀軸箱主要存在以下問題：

1）各階模態下產生的最大位移均已超出加工誤差，這對保證縫寬加工精度，刀具免受損，整機動態性能等都會產生嚴重影響。

2）刀軸箱本身存在的問題，如：刀軸箱殼體前后軸承孔的不同心度，錐度和不圓度等。

3）刀軸箱所用軸承精度，刀軸自身加工精度，刀軸箱軸承孔的加工精度對整機加工精度產生的積累誤差。

通過改變刀軸箱結構布局和關鍵參數，分析固有頻率、動態響應等結構參數的變化情況，選擇適合的結構布局和尺寸，提高結構的動態性能[6]。

3.1 刀軸箱結構優化

在保證刀軸箱寬度不變的情況下，研究其長度變化對固有頻率的影響，同時，考慮刀軸箱長度變化對軸向振動位移的影響。綜合長度變化引起的固有頻率和振動位移變化，選取合適的長度保證前6階固有頻率比原結構大幅提高，軸向振動位移比原結構顯著減小，增加結構動剛度和加工精度。要保證軸間距和軸向縫間距可調，需使組合軸形式變為獨立軸形式[7]。

3.2 提高刀軸及刀軸箱制造精度

1）刀軸軸頸的不同心度將直接引起刀軸徑向跳動；而刀軸軸頸的錐度和不圓度在裝配時將引起滾動軸承內滾道變形，破壞其精度。所以需提高刀軸加工時的同心度、錐度和不圓度，以此提高刀軸箱結構動剛度。

2）刀軸箱殼體前后軸承孔的不同心度，錐度和圓度等對刀軸加工精度有嚴重的影響。軸承孔的錐度和圓度，其中最重要的是軸承內滾道表面的圓度、光潔度以及滾動體的尺寸差，將引起軸承外圈變形，影響軸承可以調整的最小間隙。數控銑床在工作時，刀軸箱與床身臺面的振擺在收緊軸承時，將使軸承滾道面產生不規則的變形，不只是引起軸向跳動，而且會使刀軸產生徑向跳動，同時會引起刀軸在旋轉一周的過程中，產生輕重不勻的現象，甚至導致刀軸發熱[8]，進而影響精度及精度的穩定性。所以提高刀軸箱殼體前后軸承孔制造時的同心度、錐度和圓度是提升刀軸箱及整機動態性能的重要措施。

4 結論

通過對石油篩管數控銑床刀軸箱原結構進行動態性能分析，從中得出如下結論：

1）通過對刀軸箱進行模態分析，得出了刀軸箱前6階固有頻率和相應振型。可以直觀的分析刀軸箱動態特性，加之精度和使用要求等為依據，提出了具體優化措施。

2）通過分析刀軸箱存在的問題，從根本上找到了提高刀軸箱動態性能及整機加工精度和精度穩定性的措施。

參考文獻：

[1]張學玲,徐燕申,鐘偉泓.基于有限元分析的數控機床床身結構動態優化設計方法研究[J].機械強度,2005,27(3):353-357.

[2]徐燕申,張興朝,牛占文,趙相松.基于元結構和框架優選的數控機床床身結構動態設計研究[J].機械強度,2001,23(1):l-3,110.

[3]陳靜,高福萬,楊賀來.石油篩管數控多刀銑床的研發[J].機械制造,2015,53(3):10-12.

[4]陳靜,楊銳.數控割縫篩管多刀銑床:中國,CN20-021222.3[P].2011-09-07.

[5]劉永紅,李小朋,紀仁杰,等.復合縫腔割縫篩管的加工設備:中國,CN101088689A[P].2007-12-19.

[6]陳靜,楊賀來.梯形縫割縫篩管激光加工技術及裝備[J].機械制造,2010,48(8):45-47.

[7]高福萬,陳靜,楊賀來.不銹鋼梯形縫篩管加工技術研究[J].機械制造,2014,52(7):56-57.

[8]劉瑞芝.石油割縫管激光切割中的傳熱與熱應力研究[D].天津:天津大學,2001.