劉銀鋒

摘? 要：該文通過(guò)有限元分析及其理論計(jì)算2個(gè)方向?qū)﹄p柱立車工件偏載現(xiàn)象，對(duì)加工精度和使用壽命的影響進(jìn)行了分析，對(duì)采用有限元分析方法解決實(shí)際問(wèn)題的思路進(jìn)行了剖析，對(duì)主軸系統(tǒng)受力狀態(tài)進(jìn)行了分析，指出了影響加工精度和機(jī)床使用壽命的關(guān)鍵參數(shù)，并從設(shè)計(jì)人員和使用人員的角度對(duì)偏載情況的注意事項(xiàng)進(jìn)行了闡述，對(duì)于機(jī)床設(shè)計(jì)與維護(hù)具有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：雙柱立車;工件偏心;加工精度;有限元分析

中圖分類號(hào)：TG515? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 問(wèn)題的提出

該公司某型號(hào)數(shù)控雙柱立車產(chǎn)品，在用戶現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)良好，加工圓柱及圓筒零件各項(xiàng)指標(biāo)均符合檢驗(yàn)要求?？蛻籼岢龇答仯A(yù)加工重心不在幾何中心的異形零件，或者圓柱形零件夾持過(guò)程中存在偏心的現(xiàn)象，是否依然能滿足加工需求，探討了加工精度和機(jī)床使用壽命的影響。

2 有限元方法

有限單元法是在當(dāng)今技術(shù)科學(xué)發(fā)展和工程分析中獲得最廣泛應(yīng)用的方法。由于它的通用性和有效性，受到工程技術(shù)界的高度重視。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)已成為計(jì)算機(jī)輔助工程和數(shù)值仿真的重要組成部分[1]。隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，產(chǎn)品更新周期愈來(lái)愈短，企業(yè)對(duì)新技術(shù)的需求更加迫切，而有限元數(shù)值模擬技術(shù)是提升產(chǎn)品質(zhì)量、縮短設(shè)計(jì)周期、提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的一項(xiàng)有效手段，有限元法已經(jīng)成為解決復(fù)雜工程分析計(jì)算問(wèn)題的有效途徑，從汽車到航天飛機(jī)幾乎所有的設(shè)計(jì)制造都已離不開有限元分析計(jì)算，其在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛使用已使設(shè)計(jì)水平發(fā)生了質(zhì)的飛躍。

當(dāng)人們應(yīng)用有限元法于實(shí)際分析時(shí)，方便快捷地得到可靠的結(jié)果，無(wú)疑是共同追求的目標(biāo)。因此，分析過(guò)程的有效性和計(jì)算結(jié)果的可靠性成為有限元方法的兩大核心問(wèn)題。制訂的分析方案好壞直接影響分析的精度和成本，但通常情況下精度和成本是相互沖突，特別是分析較大規(guī)模和具有切割邊界的模型時(shí)更為明顯。采用有限元分析方法解決實(shí)際問(wèn)題的關(guān)鍵環(huán)節(jié)就是有限元模型的建立及其邊界條件的處理。這個(gè)過(guò)程可以認(rèn)為是一個(gè)數(shù)學(xué)建模的過(guò)程。這個(gè)過(guò)程的關(guān)鍵點(diǎn)在于真實(shí)有效地把實(shí)際情況模擬出來(lái)，并需要考慮結(jié)算過(guò)程及其數(shù)據(jù)讀取的標(biāo)準(zhǔn)。否則，要么會(huì)無(wú)法計(jì)算出結(jié)果，要么計(jì)算出的結(jié)果不能給解決實(shí)際問(wèn)題提供有效的數(shù)據(jù)支撐。

該文采用UG NX 7.5軟件建模模塊進(jìn)行有限元分析模型的建立，并在高級(jí)仿真模塊進(jìn)行有限元分析。由于工作臺(tái)大件結(jié)構(gòu)和裝配關(guān)系都很復(fù)雜，采用UG軟件從建模到分析一步到位，避免了中間格式的轉(zhuǎn)換，使得前處理過(guò)程操作非常方便，對(duì)工況的模擬更加真實(shí)，且易于修改模型重新計(jì)算，尤其適合多工況的分析。

UG軟件有限元分析，大致流程如下：首先在建模模塊建立分析模型，并進(jìn)行裝配;進(jìn)入高級(jí)仿真模塊在.sim文件下設(shè)定部件間接觸方式，約束方式，載荷以及結(jié)算方案的工況管理，在.fem文件環(huán)境下設(shè)定材料參數(shù)并將其指派給模型，劃分網(wǎng)格單元，回到.sim文件環(huán)境下進(jìn)行解算，解算完成讀取所需數(shù)據(jù)。

3 有限元分析過(guò)程及結(jié)果

立式車床工作臺(tái)是承載加工工件的重要部件，工作臺(tái)帶動(dòng)工件的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是車削加工的主運(yùn)動(dòng)。該機(jī)床回轉(zhuǎn)工作臺(tái)采用靜壓導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，主軸徑向通過(guò)雙列圓柱滾子軸承定心，通過(guò)液壓系統(tǒng)控制能夠在不同工作重量及其工作轉(zhuǎn)速情況下獲得較好的油膜厚度及其端面精度[2]。

針對(duì)該問(wèn)題，考慮工作臺(tái)受力狀態(tài)及其現(xiàn)場(chǎng)情況，分析工作臺(tái)受力狀態(tài)，計(jì)算系統(tǒng)首最大載荷的靜力變形及應(yīng)力情況。建立工件、工作臺(tái)及主軸系統(tǒng)模型，為了邊界條件的處理建立導(dǎo)軌板模型并對(duì)其進(jìn)行固定處理，加載離心力在工件上，設(shè)定重力加速度參數(shù)。取最高轉(zhuǎn)速100 rpm，設(shè)定計(jì)算工件重量為最大值50 t，工件偏心距離設(shè)定20 mm，分最大加工直徑情況下和最大工件高度2種情況計(jì)算工件偏載對(duì)加工精度的影響。為了模擬工作臺(tái)受力狀態(tài)，建立工作臺(tái)、工件、導(dǎo)軌板的裝配模型。最大加工直徑有限元分析模型如圖1所示，更改工件模型即獲得最大加工高度有限元分析模型。

計(jì)算結(jié)果如圖2所示 。

圖2和圖3為2種狀態(tài)下的有限元分析結(jié)果云圖。根據(jù)分析結(jié)果數(shù)據(jù)可知，在最大加工直徑狀態(tài)下，偏載20 mm的情況下，工件外沿Z方向變形數(shù)值差值0.001 mm;最大工件高度狀態(tài)下，變形差值0.003 mm?？傮w來(lái)說(shuō)，偏載20 mm內(nèi)，靜力變形對(duì)加工精度影響不大。值得注意的問(wèn)題是，在計(jì)算同種橫向?qū)Ρ鹊姆桨笗r(shí)，網(wǎng)格劃分應(yīng)采用同樣的形式和大小，這樣可以使對(duì)比狀態(tài)更加接近真實(shí)情況。該文中介紹的內(nèi)容側(cè)重點(diǎn)在于思路和方法，計(jì)算數(shù)據(jù)可根據(jù)具體機(jī)床型號(hào)的參數(shù)有不同的變化。

3 偏載狀態(tài)下的主軸承受力分析

工作臺(tái)主軸系統(tǒng)中定心軸承受徑向力的影響最大，對(duì)于主軸而言，記偏心距離為Δ，以工作臺(tái)面為零點(diǎn)，設(shè)工件高度為h，工作臺(tái)面至定心軸承中心距離為μ，切削力F，工件離心力為f，軸承厚度b。軸承承受徑向最大載荷Fmax。

則：

式中：離心力F=mω2Δ，ω 為工作臺(tái)轉(zhuǎn)速。

帶入數(shù)據(jù)，即可計(jì)算得到離心力和軸承承載具體情況數(shù)據(jù)。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，離心力一般情況下遠(yuǎn)小于切削力，隨著轉(zhuǎn)速的提升，離心力越來(lái)越大，使主軸受力狀態(tài)越來(lái)越惡劣。同等工件重量情況下，工件高度越高，離心力偏載力矩對(duì)主軸定心軸承影響越大。

4 偏心載荷影響分析

從設(shè)計(jì)角度來(lái)看，在主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，定心軸承的選擇至關(guān)重要。其涉及主軸結(jié)構(gòu)、電機(jī)配置、工作臺(tái)導(dǎo)軌位置以及主軸組件關(guān)聯(lián)尺寸等多方面內(nèi)容。軸承承受動(dòng)載荷是選擇軸承的決定性參數(shù)，如果沒(méi)有足夠的安全系數(shù)，偏心質(zhì)量產(chǎn)生的離心力及其離心力引起的顛覆力矩就會(huì)嚴(yán)重影響軸承使用壽命，甚至造成軸承的破損和工作臺(tái)導(dǎo)軌的研傷。對(duì)于加工工件高度跨距幅度很大的機(jī)床，應(yīng)合理限定工件高度超出一定范圍的切削用量，以此來(lái)控制切削力的急劇上升。

從使用角度來(lái)說(shuō)，如果工件偏心情況是屬于操作失誤導(dǎo)致的夾持偏心，應(yīng)當(dāng)重新找正夾緊后再進(jìn)行加工。如果工件本身為異形件，客觀存在重心位置與幾何旋轉(zhuǎn)重心有偏差的現(xiàn)象，應(yīng)當(dāng)考慮增加配重的方式，調(diào)整工作臺(tái)承載工件及工裝的重心位置至工作臺(tái)中心。如果無(wú)法實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)承載的重量質(zhì)心位置與旋轉(zhuǎn)中心重合，對(duì)于固定結(jié)構(gòu)尺寸工作臺(tái)及主軸結(jié)構(gòu)，可根據(jù)計(jì)算驗(yàn)證偏心距是否在合理的范圍內(nèi)，來(lái)確定加工工序是否可以繼續(xù)進(jìn)行。

5 結(jié)語(yǔ)

該文首先從有限元分析角度對(duì)工作臺(tái)及其主軸系統(tǒng)承受偏心載荷情況下的靜力變形進(jìn)行了分析，從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，偏心載荷對(duì)系統(tǒng)的影響不大。然而，通過(guò)理論計(jì)算，發(fā)現(xiàn)在實(shí)際情況下，根據(jù)工件形狀的變化或許會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成很大影響。究其原因是由于切削力的客觀存在，由于偏心力與切削力對(duì)比其實(shí)很小，實(shí)際對(duì)系統(tǒng)影響嚴(yán)重的主要是切削力。只是在不同的狀態(tài)下，系統(tǒng)預(yù)留的剛度儲(chǔ)備差距明顯，對(duì)于工件來(lái)說(shuō)，主要參數(shù)在于高度指標(biāo)，每臺(tái)機(jī)床的最大切削高度狀態(tài)下是該機(jī)床最薄弱的狀態(tài)，此時(shí)，如果再有偏載離心力的影響，很可能對(duì)機(jī)床主軸定心軸承造成致命的損害，嚴(yán)重影響加工精度和使用壽命，無(wú)論是從設(shè)計(jì)還是從使用角度來(lái)說(shuō)，都應(yīng)該對(duì)此情形下的切削用量進(jìn)行合理的限制，以避免造成不必要的損失。

參考文獻(xiàn)

[1]王勖成.有限單元法[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

[2]戴曙.金屬切削機(jī)床[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017.