FMXT-2000落地鏜銑床y向雙驅(qū)進給系統(tǒng)靜態(tài)特性分析

錢忠杰，陳再良，錢文海

(蘇州大學(xué) 機電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215000)

0 引言

作為機床整個系統(tǒng)中比較重要的組成部分，進給系統(tǒng)的靜態(tài)特性對機床加工工件的質(zhì)量和精度影響很大，不少學(xué)者對此展開了相關(guān)的研究。ZAEH M F等[1]利用有限元法建立滾珠絲杠副的有限元模型，并討論了滾動結(jié)合面的建模方法；張陳靈等[2]針對進給系統(tǒng)中滾珠絲杠副的載荷分布情況進行了分析；宣賀等[3]從絲杠振動對機床精度的影響方面，對進給系統(tǒng)中滾珠絲杠副的動態(tài)特性進行了相關(guān)研究。目前，國內(nèi)外對于水平方向進給系統(tǒng)的研究不少，但對于豎直方向進給系統(tǒng)的研究相對比較缺乏。

蘇州某公司生產(chǎn)的FMXT-2000落地鏜銑床的y軸采用的是雙絲杠驅(qū)動結(jié)構(gòu)，其受力狀況與水平方向的進給系統(tǒng)完全不同。理論上，以驅(qū)動工作臺作水平方向運動的進給系統(tǒng)為例，工作臺以及工件的重力完全施加在導(dǎo)軌上，滾珠絲杠副幾乎不承受徑向載荷。而對于FMXT-2000落地鏜銑床的y向雙驅(qū)進給系統(tǒng)而言，主軸箱和滑枕系統(tǒng)的重力幾乎完全施加在滾珠絲杠副上，導(dǎo)軌與滑塊之間摩擦力極小，所以計算中不予考慮。本文以FMXT-2000落地鏜銑床的y向進給系統(tǒng)為研究對象，用ANSYS Workbench對其進行有限元分析。根據(jù)分析結(jié)果擬合補償曲線，并對y向雙驅(qū)進給系統(tǒng)提出了幾種優(yōu)化方案。

1 y向雙驅(qū)進給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

FMXT-2000落地鏜銑床y向雙驅(qū)進給系統(tǒng)主要包括電機、滾珠絲杠副、支承軸承、主軸箱、導(dǎo)軌滑塊及立柱，如圖1所示。2臺電機驅(qū)動2根絲杠轉(zhuǎn)動，使得主軸箱沿導(dǎo)軌方向完成y向的直線運動。FMXT-2000落地鏜銑床y向行程3500mm，絲杠直徑80mm，跨距800mm，導(dǎo)軌跨距1410mm。與單驅(qū)進給系統(tǒng)相比，雙驅(qū)進給系統(tǒng)的軸向靜態(tài)剛度有很大的提升[4]，在豎直方向采用雙絲杠驅(qū)動可以使主軸箱的運動更加平穩(wěn)可靠。

圖1 y向雙驅(qū)進給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 靜力分析

靜力分析主要是研究結(jié)構(gòu)在給定載荷作用下的變形。y向進給系統(tǒng)除了受自身和主軸箱及滑枕的重力作用外，還受切削力的影響。主軸箱重約35000N，滑枕重約26000N。關(guān)于切削力的計算，以直徑為125mm，齒數(shù)為6的YG8硬質(zhì)合金端面銑刀為例，計算得出主切削力為5190.27N，進給抗力為1816.59N，吃刀抗力為4671.24N。

2.1 不同工況下靜力分析

以x方向銑削為例，順銑和逆銑時，切削力的方向會發(fā)生改變，對進給系統(tǒng)的整體變形也會產(chǎn)生影響。在用ANSYS Workbench進行靜力分析之前，為提高運算效率及仿真結(jié)果的準確性，需要先對y向雙驅(qū)進給系統(tǒng)的模型進行簡化，圖2為簡化后的結(jié)果。

圖2 y向雙驅(qū)進給系統(tǒng)簡化模型

定義完材料以及接觸類型后，需要進行模型網(wǎng)格的劃分。為了在節(jié)省計算時間的同時使分析結(jié)果更加準確，規(guī)定主軸箱網(wǎng)格單元大小為100mm，其他組件為80mm。最后添加載荷和約束條件。本節(jié)對空載、順銑和逆銑3種情況進行分析，分析結(jié)果如圖3和表1所示。

圖3 y向雙驅(qū)進給系統(tǒng)整體變形圖

表1 靜力變形結(jié)果 單位：mm

由分析結(jié)果可見，3種不同工況下的整體變形較為相近，說明切削力對其的影響相對較小，后續(xù)的分析中則可主要考慮空載情況。

2.2 誤差分析

FMXT-2000落地鏜銑床y向定位誤差主要來源有y軸雙驅(qū)進給系統(tǒng)的變形和z軸滑枕系統(tǒng)的撓曲變形。陸歷歷[5]已針對該公司生產(chǎn)的同類型滑枕撓曲變形的耦合補償進行了研究，優(yōu)化之后滑枕的最大變形量不超過7μm，所以可忽略z軸滑枕系統(tǒng)的撓曲變形。本節(jié)對主軸箱處于不同位置時y向雙驅(qū)進給系統(tǒng)的整體變形進行分析，取主軸箱位置間隔為200mm，分析y向雙驅(qū)進給系統(tǒng)如圖4所示位置的y向最大變形量。將所得到的數(shù)據(jù)繪制成如圖5所示的曲線，并在y軸進給系統(tǒng)裝配完成之后根據(jù)數(shù)據(jù)進行補償。

圖4 雙驅(qū)進給系統(tǒng)y向變形圖

圖5 雙驅(qū)進給系統(tǒng)y向靜力變形曲線

2.3 定位精度測量

在定位精度測量試驗中，選用的儀器是RENISHAW XL-80輕型激光干涉儀，其性能指標如表2所示。

表2 RENISHAW XL-80測量系統(tǒng)性能指標

實驗準備工作完成后，控制機床進行y軸往返運動共5次，每運動300mm停1次，進行計數(shù)。將所測得的數(shù)據(jù)按照德國標準VDI 3441繪制成圖6所示曲線。從圖6的曲線可看出，經(jīng)過補償之后的機床y向定位精度為0.008mm，滿足國家標準要求的0.02mm/1000mm及全長不超過0.028mm。

圖6 FMXT-2000落地鏜銑床y軸精度曲線

3 優(yōu)化方案

根據(jù)本文靜力分析結(jié)果，雙驅(qū)進給系統(tǒng)的變形主要發(fā)生在滾珠絲杠副和主軸箱的y向，可知主軸箱及滑枕質(zhì)量和滾珠絲杠副剛度對進給系統(tǒng)靜態(tài)特性有著很大的影響。從主軸箱方面考慮，可以進行輕量化設(shè)計，或者添加平衡裝置平衡部分重力，本文對此不作深入研究。而從滾珠絲杠副軸向剛度方面考慮，絲杠直徑大小對絲杠軸向的剛度有著很大的影響[6]。

在相同約束和載荷條件下，本節(jié)通過改變絲杠直徑的大小，以80mm、85mm、90mm、95mm和100mm的絲杠直徑分別建立不同的模型，并用Workbench軟件進行相應(yīng)的分析，將分析所得的變形量數(shù)據(jù)繪制成如圖7所示曲線。

圖7 系統(tǒng)整體變形與絲杠直徑關(guān)系曲線

從分析結(jié)果可以看出，y向雙驅(qū)進給系統(tǒng)的整體變形隨著滾珠絲杠直徑的增大而逐漸減小，并且減小的趨勢和幅度也逐漸下降。與此同時，滾珠絲杠直徑的增大，除了對安裝尺寸及要求的影響，在工作過程中，轉(zhuǎn)動慣量的增大也會引起更大的振動。因此在絲杠選型的過程中，不可為了減小雙驅(qū)進給系統(tǒng)的整體變形而盲目使用直徑過大的絲杠，而應(yīng)考慮多種因素，確定最合適的直徑大小[7]。

4 結(jié)語

本文以FMXT-2000落地鏜銑床y向雙絲杠驅(qū)動進給系統(tǒng)為例，對豎直方向的雙驅(qū)進給系統(tǒng)進行靜態(tài)特性分析。利用ANSYS Workbench對其進行有限元分析，并根據(jù)主軸箱在y軸不同位置時進給系統(tǒng)的y向變形量進行補償，使其定位精度符合國家標準要求。同時，分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，切削力對y向進給系統(tǒng)變形影響很小，而主軸箱及滑枕質(zhì)量和滾珠絲杠副剛度對進給系統(tǒng)靜態(tài)特性的影響相對較大，從而影響y向雙驅(qū)進給系統(tǒng)的定位精度。針對這兩點提出了不同的優(yōu)化方案，并對滾珠絲杠直徑對進給系統(tǒng)整體變形的影響進行了分析，為同類機床豎直方向進給系統(tǒng)的設(shè)計和改進提供了參考。