BPR6螺桿轉子磨床的關鍵技術及機床動態特性分析

虞榮華

(臺州北平機床有限公司，浙江 溫嶺317500)

機床是加工制造的最基本的設備，機床動態直接影響機床的加工精度及精度穩定性。隨著經濟及技術的發展 ,現代制造企業對機床的優化設計提出了更高的要求。因此,機床結構的模態分析是工程項目中對故障進行診斷、對結構進行優化的重要參考依據。

國內外很多學者都對機床的動態特性進行了深入研究。王禹林等[1]運用ANSYS Workbench有限元分析軟件對螺桿轉子磨床床身進行了動態特性分析，依據筋格元結構動態特性分析的結果，對床身的結構參數進行優化，從而改善了床身的動態性能。Aggogeri F等[2]針對影響機床動態特性的參數進行了精準分析，同時利用模態仿真與模態實驗相對比的方式，驗證了與傳統材料(例如鋼、鑄鐵)相比，由輕量材料制成的結構質量更輕而且剛度更大，很好地滿足了在高速精加工時對于零件的要求。李哲[3]以滾齒軸箱作為研究對象，開展了靜力學及模態仿真，同時對零件進行了模態實驗和整機振動實驗，得到滾齒軸箱的低階固有頻率、模態振型以及零件的薄弱環節，為后續的拓撲優化奠定了理論基礎。Lu Y[4]等針對動車車體彈性化轉向架進行模態分析，得出構架的前10階模態振型對其振動特性的影響最大，產生的疲勞破壞也最為顯著，結合分析結論改進結構來提高其動態性能。姬清華[5]等以立式加工中心為對象建立了機床的有限元模型，通過試驗測得了機床模態參數并與模擬結果進行比對。結果表明，機床前 4 階模態振型的模擬結果與試驗結果基本一致，并在此基礎上對機床立柱和主軸箱進行了合理優化。

劉彥伯[6]根據有限元原理及其分析方法對某經濟型數控車床床身進行模態分析和拓撲優化，找到了原有機床結構設計的不妥之處，并根據分析結果對機床床身進行了結構優化，去除了多余材料并加強了結構的薄弱部分。劉冰[7]基于 ANSYS 軟件對某型復合加工機床床身進行了動力學分析，得出了機床的前6階固有頻率及振型，通過對不同筋板結構的床身模態分析和諧響應分析，提出床身結構的優化方案。閆書錦[8]對機床進行了有限元仿真模態分析,計算出前6階的固有頻率和振型,并進行模態試驗,對2種模態分析結果進行分析對比,辨識其薄弱環節并進行結果評價,證實了有限元仿真理論模型的正確性。韓佳雋[9]為保證接箍管螺紋機床的靜動態特性及螺紋加工精度,建立了機床的幾何模型和有限元模型對模型進行了靜力學分析、模態分析和諧響應分析,同時進行了以機床整機剛度為優化目標的優化設計。陳丁[10]基于ANSYS Workbench平臺對工作臺建立了有限元模型,進行了計算模態分析,得到其固有頻率與振型;同時運用MEscope軟件對工作臺進行了實驗模態分析,在此基礎上對其進行以最大頻率為目標的拓撲優化,優化后的工作臺各階固有頻率比優化前有了較大提升。

本文首先論述了螺桿轉子磨床的若干關鍵技術，并以BPR6型機床為對象，建立了整機和關鍵部件有限元仿真模型，分析了機床整機和關鍵部件的動態特性，獲得了機床整機與關鍵零部件的固有頻率和振型，并對動態特性進行了分析。

對于螺桿壓縮機來說，最重要的零件就是一對相互嚙合的螺旋狀陰陽轉子，其幾何尺寸和端面齒形是壓縮機的性能和效率非常重要的決定因素。轉子之間的嚙合間隙、轉子齒頂與機殼的內控間隙，都是依靠轉子零件加工精度來保證的。在平均直徑200 mm的前提下，間隙擴大0.01 mm，就會使壓縮機容積效率降低1%；排氣端面間隙從0.03 mm上升到0.08 mm時，壓縮機的功率消耗會提高1.5%。故而，對螺桿壓縮機制造企業而言，保證螺桿壓縮機轉子精度至關重要。

目前，廣泛使用的螺桿轉子精密加工技術是由西方發達國家研究的粗銑、精磨工藝方法。其特點是在系列專用數控螺桿轉子磨床上，基于成形砂輪對工件進行磨削加工的機理，建立與成型表面共軛的修整滾輪運動軌跡的數學模型，并通過數控裝置，控制砂輪修整器的兩軸運動，修出所需的砂輪成型表面，加工時砂輪與工件廓形全面接觸，利用專用機床的工作臺縱向運動、精密分度運動和砂輪的橫自進給運動，實現數控成形磨削，從而磨削出所需的工件形狀。螺桿轉子的精密加工采用大氣孔砂輪，緩進深切、強力磨削，加工時配置大流量高壓冷卻，保證較高的加工效率和加工精度。

該技術主要存在以下2個問題：

(1)該技術路線是先采用粗銑工藝，去除轉子大部分余量，再采用專用磨床精加工，占用機臺多，工作效率低，制造成本高。

(2)加工過程中，大氣孔砂輪易脫粒，采用砂輪修整器修整砂輪易產生修整誤差，砂輪輪廓改變而引起磨削后的轉子截型變化，從而降低了制造精度。

一方面，目前國內略具規模的螺桿壓縮機生產制造企業大多使用進口設備，國內數控螺桿轉子磨床市場幾乎被KAPP、HOLRYOD等國外公司壟斷，由于是壟斷型產品，貨期會排得很長，而且價格昂貴，用戶企業既需要長期等待，還要承擔高價格帶來的巨額經濟負擔。另一方面，這些西方發達國家隨時都可能進行出口限制，將嚴重制約國內螺桿壓縮機的生產，特別是在航空、航天及其他軍工等重點工業領域的應用，甚至威脅國防安全。亟需國內企業開發該產品，以滿足國內螺桿壓縮機制造企業的需求。BPR6螺桿轉子磨床就是基于此背景下研制的。

1 BPR6螺桿轉子磨床研制關鍵技術

1.1 BPR6螺桿轉子磨床設計

BPR6螺桿轉子磨床采用全封閉式外罩，隔離內部磨削加工區域，在更小的空間內使用大流量的冷卻裝置，高溫磨削產生的油霧能得到快速回收，保持設備周邊環境的整潔、衛生。BPR6螺桿轉子磨床外觀見圖1。

BPR6螺桿轉子磨床采用3+3的布局形式，砂輪水平移動X軸，砂輪垂直移動Z軸、弓箭前后移動Y軸，磨軸擺動分度B軸，工件旋轉C軸和磨軸A軸，工件轉動軸及升降臺上豎直軸向固連的砂輪旋轉軸，轉軸上裝有2個砂輪，帶動轉軸轉動的電機直接裝于升降臺上，機床在水平移動軸上采用4根高精度高剛性直線滾柱導軌，大功率強力磨削，具有一次性完成粗磨、精磨且磨削加工精度較高的優點。其內部總結構見圖2。

BPR6螺桿轉子磨床包含以下幾項關鍵技術：

(1)采用三維曲面數學建模產生的CBN成形砂輪、修整軟件及誤差自動補償技術。

本數控螺桿轉子磨床采用三維曲面數學建模產生的CBN成形砂輪，一體式電鍍粗精磨砂輪組合，實現高速磨削，無需砂輪修整，可長久地保證砂輪的外形輪廓。電鍍CBN砂輪的使用，大大降低了砂輪修整的誤差，消除了砂輪修整的工序占用輔助時間。

(2)在一臺機床上磨頭主軸上裝有2兩片CBN成形砂輪，實現在同一臺機床上進行粗、精磨。

直接驅動的砂輪軸上同時裝上2個CBN 磨輪，一體式電鍍粗精磨砂輪組合,2個磨輪按程序進入工作位置，可以粗磨和精磨工件在一次裝夾完成，可證機床批量生產的加工效率和精度。主軸轉速2 000～8 000 r/min，線速度達到時80～100 m/s,高轉速極大地提高磨削效率，同時延長電鍍CBN磨輪的使用壽命。批量生產時由于采用成形電鍍CBN磨輪，解決了復雜空間曲面的數學建模、修整軟件及誤差自動補償技術，這是螺桿轉子精密加工技術是必然趨勢。

由于采用大功率同步電機直驅砂輪軸，可大力矩輸出，做到粗磨替代傳統工藝的銑削加工序，大幅度提高了工作效率。

(3)適用于大螺旋角轉子磨削的雙砂輪軸支撐結構設計

螺桿磨床的電鍍CBN磨輪基體采用鋼制，且在磨軸上同時裝有2個電鍍CBN 磨輪，其質量比較大，特別是在高轉速的工作條件下對于動平衡極其敏感，將直接影響主軸壽命和加工質量。為確保機床高效穩定地磨削加工，需在主軸對面附加一個輔助支撐，以提高磨削剛性和精度。高速磨削將產生大量的熱量，使磨軸產生微量伸長，在保證主軸端面定位不變的條件下，需在磨軸另一端加裝高精度浮動支撐機構。本磨床采用橡膠自適應調整高精度浮動支撐，在外圓和端面均加裝了可以微量變形的橡膠調整件，以適應磨削時的剛性和變形，有效保證磨削精度和提高主軸使用壽命，見圖3。

(4)減小熱變形引起誤差的技術措施

為了提高機床的的精度，減少熱形對加工精度的影響，基礎大件均采用計量級天然花崗石；采用天然花崗巖材質的大理石床身具有以下幾個優點：

①精度高：一般情況下，天然花崗巖材質的大理石床身通過人工研磨形成的大理石床身精度級別可以達到0級，而采用HT300或者HT2500鑄造成的鑄鐵床身精度級別一般不會超過2級(精度級別：0級>1級>2級>3級)。

②線膨脹系數小(3×10-6/K)，大約是鑄鐵的1/3。

③吸振性能好，比傳統鑄鐵的吸振性能好10倍，可有效降低噪音，能大幅降低振幅和固有頻率。

綜上所述，天然花崗巖材質的大理石床身非常適合高精度磨床床身等大型構件。

(5)精密傳動鏈設計技術

為了提高機床加工精度，最大限度減少機床傳動鏈，本機床直線軸采用直線電機驅動，用高精度直線光柵作為檢測元件，全閉環控制，分度軸采用力矩電機驅動，高精度旋轉光柵檢測旋轉角度，全部閉環控制，從而最大限度保證機床傳動精度和運動穩定性。也大幅度減小了由于傳動件如絲杠等旋轉帶來的噪音，消除了滾珠絲桿傳動磨損產生精度降低的隱患。

為了提高機床剛性及精度，機床各移動軸均采用4根高精度高剛性直線滾柱導軌支撐。

(6)專用智能菜單式磨削軟件的開發

菜單式加工功能庫，根據用戶的圖紙，使系統自動生成砂輪修整軌跡或導入已有砂輪軌跡數據，實現加工過程的自動化及網絡化，有利于提高加工效率和降低生產成本,增強了系統的靈活性和適用性。

智能螺桿轉子磨削數字總線式控制系統，可根據智能工廠及云技術應用需求基于WINDOWS操作平臺任意搭配3D模擬磨削軟件、也可采用開源數字控制器擴展嵌入式工業觸摸屏，具有更佳的智能操作體驗及友好的操作界面。

應用物聯網云端控制技術，可以進行生產線聯機、實現磨削加工、自動檢測和激光打標等工序集成的自動化生產，可進行實時數據采集進行遠程診斷、維護、檢測及管理等工作。順應兩化融合的新時代趨勢，友好的機床操作介面，菜單式操作，只需輸入相應的加工參數，即可實現批量化加工。菜單式操作界面見圖4。

其他方面，從用戶角度出發，細化設計，例如全封閉式外罩，內部磨削區域的隔離，使更小空間大流量的冷卻，高溫磨削產生的油霧能得到快速回收，盡量保持生產現場空氣清潔等。

1.2 BPR6螺桿轉子磨產品測試、技術指標對比及用戶使用情況

機床經國家機床質量監督檢驗中心檢測，所測主要技術指標符合GB 15760-2004、GB 5226.1-2008的規定。

機床主要技術參數與國外機床對比情況見表1。

表1 主要技術參數對比

本機床的研制開發是基于客戶的特殊需求，實現陰陽轉子的高精度加工而開發的，該機床在溫嶺某壓縮機股份有限公司經7×24 h不間斷運行，磨削后的螺桿導程精度0.02 mm，齒形偏差±0.02 mm，符合客戶要求，得到了充分肯定。至今，該機床在用戶應用了2年。使用公司認為：BPR6螺桿轉子磨床針對各類異性螺桿、陰陽轉子的加工精度和加工效率符合公司要求。經超2 000 h的長測后，加工精度的穩定性和機床的可靠性等方面已經接近歐洲同類產品水平。

2 轉子磨床模態分析

為了評估機床整機動態特性，應用有限元軟件建立了機床整機和關鍵零部件的三維有限元仿真模型。

2.1 機床整機及關鍵部件有限元建模

在對各個部件進行分析的同時還要對整機進行整體模態分析。轉子磨床床身的大型構件是關鍵的承載大件,其動靜態性能的好壞將直接影響整機的加工精度和穩定性，分析這些部件的動態特性將為實現床身的快速優化設計提供理論依據。但在設計中, 僅局限于機床和各個部件的分析都無法反映機床的整體性能。因此,要對機床性能進行準確的預測，還必須對機床整機進行動力學分析。有限元分析是一種用來分析計算復雜結構的極為有效的數值計算方法,為機床的模態分析提供了有力的工具。本文利用通用有限元軟件對轉子磨床進行了零部件-整機模態分析。

將建好的xt模型導入三維建模軟件中，轉子磨床的的實際結構很復雜，有繁多的筋板、曲面和窗孔 ,各處厚度不相同, 幾何形狀也多變，此外，為提高網格質量及節省計算時間，簡化幾何模型中對數值計算結果幾乎無影響的螺孔、倒角及圓角等微小特征結構。在三維建模軟件中修復實體存在困難，可以拆分主要部件導入幾何處理模塊對模型進行填充操作，最后進行重新裝配得到機床模型簡化圖如圖5所示。

將簡化好的模型導入有限元軟件中，按照機床在設計時的材料表分別賦予各部件對于的材料屬性。在床身底面螺孔 處施加固定約束，設置實際工作時與工件直接接觸的2個工作臺支撐座底座的網格尺寸進行細化，其他非直接接觸結構件的網格尺寸為25 mm，得到的床身有限元模型如圖6所示，節點數為342 318、單元數為269 263。

根據實際安裝條件，對整機進行有限元分析時需要設置相應的約束條件。因為邊界條件不同，導致有限元分析計算的結果也不一樣。其中主要包括底座與地面 采用地腳螺檢形成螺栓連接面，導軌和滑塊連接面、工作臺基座導軌和滑塊的連接面。對滑塊導軌進行約束與移動方向垂直的自由度。底座與地面接觸部分設為固定約束，然后設置模態計算數量為前10階。

2.2 整機模態分析

對于機床移動部件實驗平臺整機而言，可忽略熱應力的影響，實驗平臺主要承受載荷來自于自身的重力以及沖擊載荷，考慮到過高的頻率對本試驗臺參考無意義，因此取計算結果 200 Hz 以內的模態振型和固有頻率，其分析結果如圖7所示。

由圖7可知，整機振型不會突變，機床的頻率變化平滑，動態特性良好。整機的前6階模態頻率如表 2 所示。機床的的固有頻率在 70～150 Hz ，該振動頻率范圍均比蝸輪箱等部件的固有頻率低。這說明渦輪箱的回轉振動一般不會引起機床的共振，相對來說比較安全，但在工作環境中應盡量避免以上頻率的出現。整機1階振型是沿Y軸擺動；第2階床身沿X軸扭轉擺動；第3階床身沿X軸擺動，蝸輪箱點頭擺動；第4階基座在Y工作臺尖角處擺動；第5階基座在蝸輪箱處擺動，蝸輪箱會有微小振幅；第6階基座四角端出現波浪型起伏振動。根據上述振型分析，前3階振型比較影響加工精度，后3階對加工精度影響較小。對整機進行的分析過程中，基座部分出現了局部振型，尤其出現了彎振，基座部位的局部剛度還比較薄弱。

2.3 部件模態分析

由圖8～13可知，X軸大理石固定臺、Y軸工作臺、蝸輪箱、基座模態和大理石底座1階固有頻率分別為621 Hz、170 Hz、557 Hz、33 Hz和242 Hz。除基座外，其余關鍵零部件第1階固有頻率均較高，即高于機床整機固有頻率。基座前3階分別為33 Hz、96 Hz和112 Hz，1階模態沿對角線扭動，2階模態繞Y軸擺動，3階模態沿支點上下波動。雖然基座單獨固有頻率較低，但當各零件裝配后，整機固有頻率高于基座的固有頻率，即其他部組件的裝配，可以一定程度上彌補底座剛度不足的問題。然而，為了提高機床的整機動、靜態特性，仍需要對基座的結構進行提高和改進。

3 結語

本文論述的BPR6螺桿轉子磨床，針對目前國際普遍應用的螺桿磨削技術存在的2個問題，提出創新性技術解決方案，即在一臺機床的磨頭主軸上安裝2片CBN成形砂輪，實現在同一臺機床上進行粗、精磨削；采用適用于大螺旋角轉子磨削的雙砂輪軸輔助浮動支撐結構設計。基礎大件均采用計量級天然花崗石；機床直線運動軸采用直線電機驅動，旋轉分度軸采用力矩電機直接驅動，各軸全部采用高精度光柵作為檢測元件，實現全閉環控制，大幅度提高機床傳動精度和運動穩定性的同時，減小機械傳動噪音，消除滾珠絲桿傳動磨損產生的精度降低隱患。機床用4根高精度高剛性直線滾柱導軌支撐，進一步提高剛性。自主開發了智能菜單式磨削軟件，采用菜單式加工功能庫，支持系統自動生成砂輪修整軌跡或導入已有砂輪軌跡數據，實現加工過程的自動化，應用物聯網云端控制技術，可以進行生產線聯機、實現磨削加工、自動檢測和激光打標等工序集成的自動化生產，可進行實時數據采集進行遠程診斷、維護、檢測及管理等工作。

該產品的推出，可以緩解螺桿壓縮機生產制造企業對KAPP和HOLRYOD等國外公司昂貴產品的依賴性，減輕用戶的經濟負擔，縮短企業技改周期，還可以打破國外企業對航空、航天及其他軍工等企業的技術封鎖，對國防工業的發展具有重要意義。

從對機床的模態進行有限元分析可以得出，機床整體一階頻率為70.96 Hz，除基座部件一階頻率為33 Hz低于機床整體一階頻率外，其他部件一階頻率均遠高于機床整體固有一階頻率。可通過增大基座質量或者基座剛度來提高基座的一階頻率以及機床整體的一階頻率，從而使得整體機床的動態特性更可靠。