搜索陶瓷-鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)高速電主軸的研究（下）
2016-12-07 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
陶瓷-鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)高速電主軸的研究(下)
通過模態(tài)分析確定主軸組件的振動(dòng)特性,即固有頻率和振型。利用Ansys Workbench中的模態(tài)分析模塊進(jìn)行分析,得到模型的前六階振型變形云圖,如圖5所示。
采用相同方法對(duì)鋼質(zhì)主軸組件進(jìn)行分析,得到其前六階振型變形云圖(略),并與陶瓷-鋼主軸進(jìn)行對(duì)比,如表3所示。
通過對(duì)比可知:兩種電主軸的第一階固有頻率都接近0 Hz,此時(shí)模型處于剛體模態(tài)的狀態(tài),與之相對(duì)應(yīng)的振型為主軸的剛體位移;在相同條件下,陶瓷-鋼主軸的各階固有頻率都高于鋼質(zhì)電主軸,提高程度從17.1%到28.4%不等,由此可見,使用氮化硅陶瓷作為主軸的主體材料能有效提高電主軸的極限轉(zhuǎn)速,不易發(fā)生共振。
諧響應(yīng)分析用于確定結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在持續(xù)性周期載荷作用下的周期響應(yīng)。電主軸工作時(shí)受到的周期性載荷主要是刀具的激振力,若激振力頻率與電主軸固有頻率相同時(shí)則會(huì)產(chǎn)生共振,故對(duì)電主軸在切削力作用下的諧響應(yīng)進(jìn)行分析。
激振力的確定公式如下:
第一階非零固有頻率(表3中第二階固有頻率)從根本上制約電主軸的最高轉(zhuǎn)速,首先對(duì)第一階非零固有頻率的振動(dòng)特性進(jìn)行研究,為了清楚看到變形量的變化,將頻率范圍定在700~1700 Hz,通過諧響應(yīng)分析得到陶瓷-鋼主軸前端變形量隨頻率的變化曲線,如圖6所示。
由圖6可見,軸端位移最大值出現(xiàn)在頻率1 400 Hz左右,即在第二階固有頻率處主軸發(fā)生共振,最大變形量(振幅)為39.8 μm,此時(shí)主軸的徑向剛度只有22.7 N/μm。設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為24 000 r/min,對(duì)應(yīng)的工作頻率為400 Hz,遠(yuǎn)小于1 400 Hz,故陶瓷-鋼電主軸在工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)不會(huì)發(fā)生共振,具有很高的極限轉(zhuǎn)速。
取主軸前后端和電機(jī)轉(zhuǎn)子中部三處分析切削力作用下的變形量,設(shè)定頻率范圍為700~1 700 Hz,各處徑向變形隨頻率變化曲線如圖7所示。
由圖1可知,在第一階非零固有頻率附近,與主軸前端和后端相比,電機(jī)轉(zhuǎn)子中部變形量最大,最大變形量為53.1 μm,此時(shí)陶瓷電主軸的剛度嚴(yán)重不足,主軸單元在共振的情況下很可能會(huì)發(fā)生破壞,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的中部是整個(gè)電主軸單元中最危險(xiǎn)的部位,進(jìn)行電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)將轉(zhuǎn)子中部變形作為檢驗(yàn)指標(biāo)。
(1)相同尺寸條件下,陶瓷-鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)電主軸比鋼質(zhì)電主軸具有更高的剛度,剛度提高約41.1%。
(2)陶瓷-鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)電主軸的各階固有頻率普遍高于鋼質(zhì)主軸,提高程度從17.1%到28.4%不等,對(duì)應(yīng)的極限轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)高于電主軸工作轉(zhuǎn)速,電主軸具有更好的動(dòng)態(tài)性能。
(3)電主軸的主軸組件發(fā)生變形最大的部位在電機(jī)轉(zhuǎn)子中部,減小其變形有助于提高電主軸動(dòng)態(tài)性能,設(shè)計(jì)中應(yīng)作為重點(diǎn)檢驗(yàn)指標(biāo)。
作者:王軍
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