基于ANSYS的高速磨削電主軸動靜態性能分析

池云飛 單文桃 林奇 曹偉長 呂冬喜

摘 要：以國產120MD60Y6型高速磨削電主軸為研究對象，使用有限元分析方法，基于ANSYS Workbench建立高速電主軸模型，先分析其靜態特性，計算工作條件下電主軸前端所受徑向力和軸承徑向剛度；然后分析其動態特性，通過模態分析得到其前6階固有頻率和臨界轉速，再通過諧響應分析得到電主軸在不同頻率下響應位移大小。研究表明，其靜剛度滿足工作需求，且固有頻率和臨界轉速遠大于其工作頻率和最大轉速。

關鍵詞：電主軸；有限元；模態分析；諧響應分析；性能

中圖分類號：TH133? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）16-0037-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.16.010

0? ? 引言

在工業蓬勃發展的今天，隨著產品設計的多樣化和生產周期的縮短，高速加工技術已被制造商廣泛采用。隨著科學技術的發展，高頻主軸越來越多地取代了普通的機械主軸，并在數控機床上得到了廣泛應用。

作為高速數控機床的核心部件之一，電主軸的性能優劣對整個機床的實際生產有著重大影響。所以與傳統機械主軸不同，高速電主軸的技術參數與加工精度的要求更為嚴格。目前，結構設計的首要問題是可靠性設計，而電主軸的動靜態特性更是可靠性設計中不可或缺的環節。因此，研究高速電主軸的動靜態特性具有重要的理論和現實意義。

陳小安等人[1]分析了轉子外載荷中的電磁不平衡拉力，實驗驗證了其為引起高速轉子振動的主要因素之一。孟杰等人[2]采用單輸入/多輸出識別法，通過試驗模態分析方法得到模態參數進行分析。崔立、陳傳海等人[3-4]考慮了各部件間結合面的影響，前者分析了結合面的接觸作用，后者考慮結合面剛度，提出了融合響應面和遺傳算法的動力學建模方法。李松生等人[5]以擬靜力學分析方法分析滾動軸承，得到其動力學特性，編寫出計算機程序，使得使用滾動軸承的部分電主軸可以通過計算機分析設計。Li等人[6]設計了一種自由狀態下的激勵測量測試方法，用于分析輸入/輸出信號的交叉譜密度和自動譜密度。

本文以國產120MD60Y6型高速磨削電主軸為研究對象，構建有限元模型，利用ANSYS軟件分析其動靜態性能，可為國產高速電主軸的設計提供理論參考。

1? ? 電主軸主要結構及參數

本文所使用的電主軸基本結構如圖1所示，主要由轉軸、電機、轉子、軸承等部分組成。電機安置在前后兩組軸承之間，與其他方式相比，中置主軸軸向尺寸更小，結構緊湊。潤滑方式采用油霧潤滑，這種方式應用范圍廣，可適用較高的轉速，并配有主軸冷卻水冷系統。軸承選用B7004C和B7003C；電機型號為120MD60Y6，功率6 kW（S6）/3.6 kW（S1），轉速60 000 r/min，工作頻率1 000 Hz。

2? ? 電主軸有限元模型的建立

由于電主軸內部結構復雜，材料屬性不同、轉軸階梯多，出于仿真分析便捷性的考慮，結合有限元分析的特點，對高速電主軸有限元模型進行必要的簡化：

1）忽略倒角、圓角、螺紋等細小特征。

2）主軸與轉子采用過盈配合，在仿真分析時視為一體。

3）選擇COMBI214彈簧單元模擬軸承單元，較COMBIN14單元方便，而且可以考慮更多的軸承特性。在潤滑良好時，所受摩擦力非常小，軸承的軸向力較小，主要考慮軸承的徑向剛度影響[7]。

電主軸的材料選用20CrMnTi，特點是材料表面硬度高，抗疲勞性能好，而心部塑性、韌性好，有良好的加工性。主軸的彈性模量為207 GPa，材料密度為7 800 kg/m3，泊松比為0.25。

對模型使用四面體法進行網格劃分，并調大Relevance值，設置接近和曲率選項，網格細化處理，形成了93 325個節點和62 733個單元，如圖2所示。

3? ? 電主軸的靜態特性分析

3.1? ? 典型工作條件下的主軸受力分析

根據本電主軸典型工作狀態選用S1連續工作制電機功率3.6 kW，電主軸的額定轉矩T額計算公式為：

T額≈9 550? N·m? ? （1）

式中：P為電機額定功率，取值3.6 kW；n為電機額定轉速，取值60 000 r/min。

將以上條件代入式（1），可得電主軸的額定轉矩T額=0.573 N·m。

作用在主軸上的最大切削力Fc的計算公式為：

Fc=? ? ?（2）

式中：d0為主軸前端半徑，取值為9 mm。

代入式（2），可得最大切削力Fc為63.667 N。

工作時主軸所受徑向力Fr和各切削力的關系為[8]：

（3）

（4）

（5）

式中：Fh為水平徑向力；Fv為垂直徑向力。

參考上述公式，分別取經驗值0.37和0.85，通過計算可得Fh為23.557 N，Fv為54.117 N，主軸所受徑向力Fr為59.022 N。

3.2? ? 角接觸球軸承組的徑向剛度計算

電主軸在高速旋轉時，軸承的動態性能對主軸的動態特性有至關重要的影響。

本文中研究的高速電主軸所采用的軸承主要技術參數如表1所示。

角接觸球軸承預緊后徑向剛度計算公式：

（6）

式中：Fa0為軸向預緊力。

在輕負荷情況下，滾動軸承的預緊力為額定動載荷的1%[9]，代入公式（6）計算可得前軸承組徑向剛度為117.896 N/μm，后軸承組徑向剛度為92.032 N/μm。

3.3? ? 靜力學有限元分析

電主軸的靜力學分析主要是為了得到其靜剛度，查看變形情況。將計算所得主軸所受徑向力施加在主軸前端，使用COMBI214單元模擬軸承，輸入軸承剛度。圖3為電主軸添加COMBI214單元后的模型示意圖。

求解后得到圖4，由圖可得，主軸前端在受徑向力作用下最大變形量為0.09 μm。

根據靜剛度計算公式，其剛度遠大于一般電主軸所需剛度值300 N/μm，所以適用實際工作條件。

（7）

式中：Fr為主軸所受徑向力；δmax為主軸前端最大變形量。

4? ? 電主軸的動態特性分析

4.1? ? 模態分析

圖5所示為電主軸前6階固有頻率和振型。

根據模態分析所得頻率，可求得電主軸第1～6階臨界轉速。臨界轉速的計算公式為：

n=60f （8）

式中：n為主軸臨界轉速；f為主軸固有頻率。

計算結果如表2所示，可知電主軸的臨界轉速遠大于額定轉速60 000 r/min，有效避免了共振現象的產生。

4.2? ? 諧響應分析

作用于電主軸的激振力為：

P（t）=pcos（ωt+φ）? （9）

式中：P（t）為激振力；p、ω、φ分別為幅值、相位角和強制頻率范圍。

激振力取作用在主軸上的徑向力，相位角取0°。根據前6階固有頻率選擇分析范圍為0～15 000 Hz，載荷子步為20。選用完全法分析，其優點是可不考慮主自由度或振型的選取。分析得到電主軸徑向響應位移與頻率的曲線如圖6所示。

由圖6可知，在激振頻率范圍內，電主軸的徑向響應位移共出現三次峰值，分別在3 750～3 950 Hz時、5 500～6 000 Hz時、13 500～14 000 Hz時，分別對應了電主軸的第1/2階、第3/4階、第5/6階固有頻率。當頻率超過3 000 Hz時，主軸響應位移迅速增加，表明此時電主軸剛度急劇下降；頻率從3 950 Hz到5 250 Hz時，主軸響應位移迅速下降，表明此時剛度明顯提高。因此可得，當電主軸振動頻率達到一階固有頻率3 800 Hz左右時，在其徑向方向上產生的彎曲變形最大，容易發生共振，從而造成電主軸劇烈抖動。

針對當電主軸頻率達到一階固有頻率時主軸各處位移變化，如圖7所示，在主軸上設置關鍵點：A點位于主軸前端，B點位于主軸中端，C點位于主軸后端。分析得到電主軸關鍵點處共振頻率下響應位移變化曲線如圖8所示。

由圖8可知，當激振力頻率達到一階固有頻率時，主軸前端位移響應最大，也就是說當電主軸發生共振時，主軸前端最容易發生損壞。

5? ? 結論

1）電主軸內部結構復雜，具有材料屬性不同、轉軸階梯多、載荷承載多等特點，本文使用有限元分析法對其工況進行仿真分析，能節約成本，縮短產品研發周期。對有限元實體模型進行合理簡化，求得電主軸靜動態特性中的重要參數，進行相應問題分析，可為國產高速電主軸的設計提供理論參考。

2）通過分析計算得到電主軸所受徑向力為59.022 N，主軸前端最大變形量為0.09 μm，此時剛度為655.8 N/μm，滿足使用需求。通過模態分析，得到其固有頻率和臨界轉速遠大于其工作頻率1 000 Hz和最大轉速60 000 r/min，有效避免了共振現象的產生。

[參考文獻]

[1] 陳小安，張朋，陸永亞，等.計電磁不平衡拉力的高速電主軸轉子偏心特性研究[J].振動與沖擊，2014，33（2）：37-40.

[2] 孟杰，陳小安，陳鋒.高速電主軸的試驗模態分析[J].機械設計，2009，26（6）：70-72.

[3] 崔立，張洪生，何亞飛.考慮主軸-刀柄-刀具接觸特性的高速電主軸靜動態特性分析[J].機械設計，2019，36（增刊1）：150-153.

[4] 陳傳海，姚國祥，金桐彤，等.基于響應面與遺傳算法的主軸系統動力學建模及參數修正[J].吉林大學學報（工學版），2022，52（10）：2278-2286.

[5] 李松生，楊柳欣，王兵華.高速電主軸軸系轉子動力學特性分析[J].軸承，2002（2）：15-17.

[6] LI Y S，CHEN X A，ZHANG P，et al.Dynamics Modeling and Modal Experimental Study of High Speed Motorized Spindle[J].Journal of Mechanical Science and Technology，2017，31（3）：1049-1056.

[7] 劉成穎，楊哲.基于均布彈簧模型的電主軸有限元建模及動態特性分析[J].組合機床與自動化加工技術，2019（3）：1-4.

[8] 蔡春源.新編機械設計手冊[M].沈陽：遼寧科學技術出版社，1993.

[9] 李紅光.滾動軸承預緊的意義和預緊力的估算及調整[J].機械制造，2004（9）：45-48.

收稿日期：2023-04-25

作者簡介：池云飛（1999—），男，浙江杭州人，碩士研究生，研究方向：機電產品檢測與智能控制。

通信作者：單文桃（1987—），男，江蘇鹽城人，博士，副教授，研究方向：高速電主軸技術與智能驅動控制算法。