晶硅磨面倒角一體機磨床主軸諧響應分析

崔陳晨 楊 勇 段景波 解培玉

（青島高測科技股份有限公司 山東 青島 266114）

太陽能屬于可再生能源的一種，具有儲量大、永久性、清潔無污染、可再生、就地可取等特點，成為目前人類所知可利用的最佳能源選擇。國家對于光伏產業的支持力度不斷加大，每年都會出臺新的政策建設，將有效帶動行業設備的高速發展。

隨著國內光伏發電規模擴大和技術快速進步，越來越多的高效加工模式得以應用，砂輪硬度均勻和穩定及硬度高低的合理選擇，是保證磨削質量的重要前提。提高砂輪工作速度，可顯著提高磨削效率和磨削比，如砂輪的磨削速度提高40%，磨削比可增加一倍，降低磨削成本。金屬和樹脂結合劑的金剛石砂輪，線速度通常為15～35 m/s，陶瓷結合劑CBN砂輪的線速度可提高到45～160 m/s，單層CBN砂輪的線速度可選用125～250 m/s。

硅棒磨削的砂輪法向力高于切向力，對砂輪主軸剛度要求很高，主軸采用精密主軸滾動軸承結構，前端四盤主軸軸承，后端兩盤軸承。砂輪主軸支撐座設置回轉中心，根據磨削需要可對砂輪主軸進行左右適當的調整，以滿足磨削表面質量的要求。

1 模型簡化

在三維軟件Creo2.0中建立幾何模型，并對其進行簡化處理：

（1）刪除螺紋孔、小臺階、倒角、圓角等細小特征；

（2）刪除螺釘、螺母等連接件；

（3）利用簡單結構的實體模型代替復雜結構的部件；

（4）在保證整體結構不變的情況下，可修改各模型的尺寸，保證各零件裝配正確。

通過對幾何模型的簡化，可提高網格劃分的質量，節約仿真計算的時間，將簡化后的模型導入ANSYS，主軸材料設定為42CrMo（表1），主軸轉速設定為6000 r/min，劃分網格，如圖1所示。

表1 42CrMo材料性能參數

圖1 主軸邊界條件加載示意圖

2 劃分網格

劃分網格是建立有限元分析的一個重要環節，網格數目的多少將影響計算結果的精度和計算規模的大小。一般來說，網格數目增加，計算精度會有所改進，但同時計算規模也會增加，所以在確定網格數目時應權衡兩個因素綜合考慮。網格疏密是指在結構不同部位采用大小不同的網格，這是為了適應計算數據的分布特點，應力集中處應劃分比較密集的網格，應力變化梯度較小的部位，為減小模型規模，應劃分相對稀疏的網格。

對簡化的主軸模型選擇合理的網格單元尺寸，主軸總長度600 mm，選擇網格尺寸為1～10 mm，采用帶有中間節點的六面體單元自動劃分網格，節點數約5.1萬個，單元數7.7萬個，如圖2所示。

圖2 主軸網格劃分

3 有限元分析計算

如圖3所示，加載主軸預緊力9400 N，轉速628 r/min ，運行主軸應力、位移和模態，結果仿真如圖4、圖5、圖6所示。

圖3 加載預緊力示意圖

圖4 應力分布圖

圖5 位移分布圖

圖6 模態分布圖

主軸經過有限元分析得最大應力為3.6 MPa＜250 MPa；最大位移量為0.003 mm，位移較小滿足使用要求；一階模態頻率2098.8 Hz＞117 Hz，符合設計要求。

4 兩組磨削主軸共振諧響應分析

簡化網格：

（1）簡化底部滑塊為固定約束；

（2）簡化頂部鎖緊氣缸為直桿固定，無鉸接；

（3）簡化主軸和軸承內隔套為一體，且與筒壁無過盈，無摩擦；

（4）簡化導軌整體為鋼材，且導軌綁定到支座上；

（5）材料屬性為系統默認的結構鋼和灰鑄鐵；

（6）簡化電機、磨頭為質量點；

（7）簡化圓角和細部小特征；

（8）不計間隙、過盈狀態；

（9）簡化軸承為實心圓環、螺栓為梁單元。

網格劃分結果如圖7所示。

圖7 主軸系統網格劃分

在零件之間按照實際情況一一創建接觸對，摩擦因數設置為0.2，預壓導軌摩擦系因數為0.15，如圖8所示。

圖8 零件接觸狀態

加載螺栓預緊力（紅色箭頭）、重力（黃色箭頭）和底部固定約束（粉紅），如圖9所示。

圖9 邊界條件（加載）

主軸系統經過有限元分析，得到如圖10所示的應力變形結果，最大位移量為0.108 mm，發生在軸承套抱緊位置，且位移較小滿足使用要求。

圖10 主軸系統應力變形量

設置主軸和內隔套為旋轉體，轉速從50 r/min升至7000 r/min，轉子動力學有限元分析，如圖11、圖12所示。結果顯示在6925.5 r/min時為臨界轉速，與結構共振，振型為二階振型，（另，如果計入軸承鋼球則各轉速模態會有輕微變化，本例各階頻率恒定。）

圖11 轉子動力學模態分析設置

圖12 轉子動力學坎貝爾圖

經過對兩粗磨主軸共振諧響應分析，得到如圖13所示的二階模態振型圖，得出6925.5 r/min為設備的共振轉速；實際應用中，設備最大運行轉速為6000 r/min，小于設備共振轉速，避免了設備發生共振。

圖13 二階模態振型圖（體現為后端上下振蕩）

5 機床性能保障技術

主軸高速磨削，要求加工穩定性好、振動小、線速度高。例如，在2001年中國國際機床展上展出的PLANOMAT系列平面和成形磨床砂輪的工作速度為170m/s。因此，對磨床設計有如下要求：

（1）砂輪主軸回轉精度要高。

（2）磨床剛度要好，一般要求比普通磨床高50%左右，通常應不小于100 N/μm的數量級。

（3）磨床進給系統的精度要高，進給速度應均勻準確，縱向進給最小速度應達0.3 m/min，橫向進給（切深）應達單行程 0.001～0.002 mm，以保證磨削的尺寸精度、幾何形狀精度和表面粗糙度。

（4）磨床各運動件，如頭架主軸和軸承部分、進給運動導軌部分等應有可靠的密封，以防超硬磨料進入，加速機件的磨損。

（5）要有比較完善的磨削液過濾和供給系統，過濾精度應小于0.5 μm。

（6）磨床各部分應有相應的防振和隔振措施，砂輪應作精細動平衡。

6 結語

本文研究了磨床主軸在正常工作轉速的情況下，通過有限元分析軟件ANSYS進行模型簡化和應力、應變、模態分析，通過分析結果，靜力學性能和動態性能均符合設計要求，結構可靠。

通過對相鄰兩磨削主軸的共振諧響應分析，獲取了主軸磨削發生共振頻率的臨界轉速，研究結果顯示， 6925.5 r/min為臨界轉速，與結構共振，為避免共振，主軸系統的工作轉速應避開臨界轉速。

分析結果與實際測試相符合，可推廣至相似結構的分析，更好地應用于實踐。