高速立式加工中心主轴箱静动态性能研究

摘要

高速加工中心的高切削速度、高进给速度和高加工精度已成为国内机床领域的发展方向。“高速立式加工中心”成为“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项中优先支持的项目，是国家中长期科学和技术发展规划的目标。研究加工中心的工作性能（良好的静态性能和动态特性）对提高机床的安全和精度有重要的指导作用，主轴箱直接影响主轴系统甚至整个机床的加工性能，为此，对高速加工中心主轴箱等基础部件进行静、动态性能的研究已成为设计的必要环节。所采用的方法也可以应用在其他部件和整机的性能分析中，为提高机床整体性能提供了技术支持。
　　 本文首先介绍了课题的研究背景及主轴系统国内外的发展状况和静、动态特性研究水平，对主要基础结构部件主轴箱进行拓扑设计并进行了受力分析；其次，介绍了主轴系统的工作原理，在相同工况下对不同设计方案进行力学分析，最后对结构进行优化分析。
　　 根据设计要求建立新的主轴箱三维有限元模型，按照主轴箱的运动方式、固定方法对有限元模型的自由度进行约束，采用有限元软件自定义的单元、网格进行模拟。通过静力分析，模态分析，谐响应特性分析，敏感度分析等得到主轴箱在特定载荷工况下的静刚度值、动刚度值、固有频率以及相应的振型等理论数值，为高速加工中心的设计提供了可靠的理论依据。将有限元分析的结果与机床设计要求进行对比，并参考相关的设计经验对模型进行了局部改进。利用Pro/E优化设计模块，通过敏感度分析将参数化设计变量进行筛选，找出影响设计目标的主要设计变量，删除不合理尺寸区间，避免错误的发生、减少分析时间、提高优化速度和准确性，为实现主轴箱最优化设计奠定了基础。
　　 利用软件Pro/ENGINEER建立主轴箱虚拟样机系统，并导入ADAMS中进行运动仿真与振动分析。通过分析结果显示出了构件各结点在工作过程中的试验数据，对主轴系统的运动参数进行修正后，将主轴箱替换为柔性体，完成振动分析，得出主轴箱在主轴系统中的振动受连接刚度及阻尼的影响，因此对其进行有效的调节可提高产品的质量。再次对主轴箱改进前和改进后的主轴系统进行分析，可明显看出改进后的主轴箱在主轴系统中的频率提高，可避免共振的发生，调整各连接刚度可提高系统的稳定性。