高速干式切削滾齒機刀架部件滾刀軸優(yōu)化設(shè)計

1、第22卷 第11 期 重 慶 工 學(xué) 院 學(xué) 報 ( 自然科) 學(xué) 2008 年11月 Vol.22 No.11 ( Journal of Chongqing Institute of Technology Natural Science ) Nov. 2008高速干式切削滾齒機刀架部件滾刀軸優(yōu)化設(shè)計 陳碧楠 ,宋(1.中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司 ,重慶 400013; 2.重慶工學(xué)院 重慶汽車學(xué)院 ,重慶 400050) 1 2摘要 :分析影響高速干式切削滾齒機滾刀軸動態(tài)特性的因素 ,用 ANSYS 軟件分別從軸承支承跨距和軸承剛度兩個方面對滾刀軸進行建模和優(yōu)化設(shè)計 ,并對優(yōu)化結(jié)果進行模擬

2、驗證.關(guān) 鍵 詞:滾齒機 ;滾刀軸;優(yōu)化設(shè)計 ;有限元中圖分類號 :TG721 文獻標識碼 :A 文章編號 :1671 - 0924(2008)11- 0038 - 04Optimum Design of Hobbing Shaft of Hob2heaPart dfor High2speed DrGear Hobbing Machine y2cutting 2CHENBi2Nan , SONG Kun 1( 1. CISDI Engineering Co. Ltd. , Chongqing 400013, China; 2. Chongqing Institute of Automobile

3、 ,Chongqing Institute of Technology, Chongqing 400050, China)Abstract: Thispaper analyzes and takes into account thefactors which can influence dynamiccharacteris2 tics of hob shaft. By usingANSYS,thispaperbuildsthemodel and completes theoptimum designfromthe aspects of bearing span and bearing rigi

4、dity , and validates the analysis result with simulation method and comes to a conclusion.Key words:gear hobbing machine; hobbing shaft; optimum; finite element analysis隨著我國制造業(yè)的快速發(fā)展,齒輪的需求量 轉(zhuǎn)速數(shù)量級得到提升,其中滾刀軸的轉(zhuǎn)速可達到日益增加,各行業(yè)對齒輪加工的效率、質(zhì)量及加工 3 000 r/min以上,滿足干式切削的速度要求,不僅 成本的要求愈來愈高,使得滾齒機朝著高速高效 極大地提高了生產(chǎn)效率,而且由于干

5、式切削不需 化、全數(shù)控化、環(huán)?；?、智能化以及網(wǎng)絡(luò)化的方向 要任何油液冷卻,使加工的過程更加環(huán)保.發(fā)展.高速干式切削滾齒機是滿足上述需求的新 刀架部件是高速干式切削滾齒機的核心部件 與工件軸 (C 之一,其設(shè)計的關(guān)鍵在于滾刀軸軸系的設(shè)計.由于軸)之間的聯(lián)動關(guān)系交由數(shù)控系統(tǒng)或者專門的電 滾刀轉(zhuǎn)速很高,使得加工過程中切削力的激振頻子齒輪模塊處理,讓滾刀軸和工件軸從冗長的差 率很高 ,所以設(shè)計的難點不僅在于靜剛度是否能動傳動鏈中解放出來,分別由內(nèi)置主軸電機和內(nèi) 滿足精度要求 ,如何提高滾刀軸軸系的動態(tài)特性, 置力矩電機直接驅(qū)動,從而使?jié)L刀軸和工件軸的 避開共振區(qū)更是其設(shè)計的重中之重.一般說來,一 收稿

6、日期 :2008- 08- 13基金項目 :重慶市科委攻關(guān)項目(CSTC,2005AC3033) . 作者簡介 :陳碧楠 1965 ,女 ,福建人 ,教授級高級工程師 ,主要從事冶金設(shè)備設(shè)計研究.( )陳碧楠 ,等:高速干式切削滾齒機刀架部件滾刀軸優(yōu)化設(shè)計39階固有頻率應(yīng)高于切削激振力頻率的25%以上才 能保證靜剛度成為影響主軸精度的主要因素.本要全面地分析主軸的動靜態(tài)特性,必須將主軸、軸 承、刀桿以及輔助支承的軸承看作一個系統(tǒng)進行研究以 YKS3610 型高速滾齒機滾刀軸為例,采用分析.主軸單元結(jié)構(gòu)對稱、形狀簡單 ,可作為空間有限元方法,通過 ANSYS對刀架主軸系統(tǒng)進行建彈性梁來處理 ,選

7、用 ANSYS程序中空心軸特征的模和分析,以固有頻率為優(yōu)化目標,完成對其的優(yōu)BEAM23單元來模擬 ,對不同的軸徑采用不同的實化設(shè)計. 參數(shù).對主軸- 刀桿系統(tǒng)更為詳細的簡化: 將軸承組簡化為單個彈性支撐,根據(jù)技術(shù)資料 ,選用的1 模型建立背對背雙聯(lián)角接觸球軸承的作用點在 25. 3 mm處,雙列圓柱滾子軸承 - 雙向推力角接觸球軸承YKS3610 型滾齒機刀架部件主軸軸系包含電組由于前者不能承受徑向力,作用點定在圓柱滾主軸、刀桿以及活動支承 3 個部分. 電主軸由主子軸承的中線處,滾針軸承的作用點在其中線處;軸、軸承、電機、殼體組成,其中殼體固定不動,電認為軸承只具備徑向剛度,不具有角剛度,

8、進一機定子固定在殼體上,進行分析時將兩者看做剛步將軸承簡化為徑向的壓縮彈簧質(zhì)量單元; 忽體,可以不加考慮.電主軸的主軸是階梯軸,中空,略軸承負荷及轉(zhuǎn)速對軸承剛度的影響,將軸承剛由2組軸承支承 ,采用一端固定一端游動的支承度看成一個常數(shù),用 COMBINE14 彈簧單元進行模方式,靠近加工區(qū)域的一端固定,遠離加工區(qū)域的擬; 將電機轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子套等效為同密度軸材料,一端游動,固定端采用雙列圓柱滾子軸承和60°接將其與主軸看成一體; 當(dāng)主軸內(nèi)孔階梯度不大觸雙列推力球軸承配對支承,浮動端采用雙聯(lián)角時,簡化為當(dāng)量內(nèi)孔.接觸球軸承支承,既能保證剛度和加工精度,又為根據(jù)上述簡化原則,將主軸單元劃分為

9、 14主軸熱膨脹留下伸縮空間.主軸與刀桿剛性聯(lián)接,段,15 個節(jié)點,其中節(jié)點 110 為電主軸,節(jié)點可將兩者看作一體.刀桿由滾針軸承支承,這樣,1015為刀桿.建立的有限元模型如圖1 所示,共主軸- 刀桿系統(tǒng)由3 組軸承支承,為靜不定結(jié)構(gòu).15個關(guān)鍵點,14 段.圖 1 刀架主軸單元簡化模型計時應(yīng)當(dāng)采取措施盡量提高主軸系統(tǒng)的一階固有2 優(yōu)化設(shè)計頻率 ,使之至少超過切削力頻率的25 %以上 ,所以將固有頻率作為優(yōu)化的目標是合適的.由于機械系統(tǒng)是典型的欠阻尼系統(tǒng) ,如果發(fā) 生共振,即切削激振力的頻率與機械系統(tǒng)的固有固有頻率跟系統(tǒng)的剛度和質(zhì)量有關(guān) ,隨著前者的增大和后者的減小而非線性的增大.那么,軸

10、頻率一致或者相當(dāng)接近時,機械強度會成倍地下系本身的結(jié)構(gòu)、質(zhì)量、剛度以及支承剛度都是影響降,所以在高速切削的條件下,靜剛度不再是設(shè)計固有頻率的因素.選定合適的內(nèi)置主軸電機后,主的焦點,如何提高系統(tǒng)的動態(tài)特性,避免共振才是軸的軸徑、軸階的長度都根據(jù)電機數(shù)據(jù)定出,而刀設(shè)計的重點.干式切削滾齒機滾刀軸轉(zhuǎn)速很高,設(shè)桿軸徑和長度也依據(jù)滾刀數(shù)據(jù)定出 ,即軸系的結(jié)40重 慶 工 學(xué) 院 學(xué) 報構(gòu)和質(zhì)量基本確定,對軸系固有頻率的影響幾乎 是不可調(diào)的.因此,對軸系固有頻率影響最大的參2.2 軸承預(yù)緊剛度對軸系固有頻率的影響首先研究固定端雙列圓柱滾子軸承對固有頻 率的影響.確定軸系跨距為348 mm,維持另外兩個數(shù)

11、就是電主軸軸承支承的跨距及軸承自身的剛度.下面就這兩個因素對滾刀軸軸系固有頻率的軸承組剛度不變,改變雙列圓柱滾子軸承預(yù)緊量,影響加以分析,并提出優(yōu)化策略.使其剛度變?yōu)?5.24 N/m、252.4 N/m、2 5242.1 軸承支承跨距的優(yōu)化N/m、25 240 N/m,通過 ANSYS軟件的分析,可以固有頻率為目標的優(yōu)化必須在模態(tài)分析的 基礎(chǔ)上進行,按照圖1 所示模型 ,在ANSYS軟件界得到主軸系統(tǒng)固有頻率的變化,如圖4.面建模,如圖2所示.圖 4 雙列圓柱滾子軸承對主軸系統(tǒng)固有頻率的影響同理 ,改變刀桿活動支承的滾針軸承過盈量,圖 2 滾刀軸軸系 ANSYS分析幾何模型使 之 剛 度 變

12、 為 37.86 N/m、378.6 N/m、在設(shè)計中,為保證前端懸伸量不變 ,固定端軸3 786 N/m、37 860 N/m,其余軸承剛度維持不承組的支承位置不變,通過改變游走端雙聯(lián)角接變,經(jīng)分析得到主軸系統(tǒng)固有頻率的變化,如圖5.觸球軸承的支承位置,即圖 1 所示的節(jié)點 2 的位置來改變跨距.按實際加工情況施加約束后,用子空間法進行模態(tài)分析,可得到不同跨距下軸系的一階固有頻率,如圖3 所示.圖 5 滾針軸承對主軸系統(tǒng)固有頻率的影響由上面的分析結(jié)果可以看到 ,主軸系統(tǒng)的固圖 3 支承跨距對軸固有頻率的影響有頻率隨著軸承剛度的增加而單調(diào)增加,開始增長很明顯,到后面增長則相當(dāng)平緩.當(dāng)設(shè)計的預(yù)緊

13、由圖3 可見 ,跨距對主軸系統(tǒng)剛度的影響不過盈量為 2 m 時,兩種軸承預(yù)緊剛度分別為是單調(diào)的,在跨距為 343 mm 時,主軸系統(tǒng)的一階2 524 N/m和3 786 N/m,此時軸系固有頻率為固有頻率達到最大值.由于實際結(jié)構(gòu)的限制,選取1 018 Hz,滿足要求.若要進一步明顯提升軸系固跨距為348 mm.在此跨距下,軸系一階固有頻率為有頻率則需要成數(shù)量級的提高軸承預(yù)緊剛度,這1 018 Hz,該型滾齒機滾刀軸最高設(shè)計轉(zhuǎn)速為意味著相當(dāng)大的軸承過盈量,會極大增加裝配難4 000 r/min,滾刀有12 個容屑槽,則切削力最高激度,得不償失,甚至根本無法實現(xiàn).此外 ,大的預(yù)緊振頻率為4 000

14、 ×12/60=800 Hz, 軸系一階固有頻力意味著大的摩擦力矩,在高速下極易導(dǎo)致軸承率高于最大激振頻率25%以上,滿足設(shè)計要求.和主軸的溫升,不利于主軸速度的提高,共振振幅陳碧楠 ,等:高速干式切削滾齒機刀架部件滾刀軸優(yōu)化設(shè)計41也可能大幅度增加.對比兩圖可發(fā)現(xiàn) ,雙列圓柱滾子軸承的剛度對主軸系統(tǒng)的固有頻率的影響很大,預(yù)緊不好,會使主軸系統(tǒng)的固有頻率掉入共振區(qū) (800 Hz 以下).因此認真調(diào)整軸承預(yù)緊力,對保證其剛度非常重要.3 模擬驗證圖 7 切削點的位移響應(yīng)位移 - 頻率曲線根據(jù)優(yōu)化結(jié)果,可以確定最佳的跨距和可實現(xiàn)的軸承最佳預(yù)緊剛度,下面通過軸系切削點處由圖7 可知,在7

15、00 Hz至1500 Hz的頻率范圍對切削力的諧響應(yīng)分析對優(yōu)化結(jié)果進行模擬.3.1 確定加工時激振力內(nèi)切削點有2個位移響應(yīng)峰值,分別在1 018 Hz和1 376 Hz附近 ,這2 個頻率正好是主軸系統(tǒng)的一階為了分析簡單,可將最大徑向力與平均徑向和二階固有頻率.最高工作頻率為800 Hz,因此能力之差作為簡諧激振力的幅值,滾刀軸承受的最夠有效避開共振區(qū),800 Hz 處切削點的變形為大徑向力為 402 N,平均徑向力為最大徑向力的0.6m,加上穩(wěn)態(tài)力 181 N產(chǎn)生的靜力變形,實際45 %,則激振力的幅值為 221 N,將最大轉(zhuǎn)速下切加工過程中變形量為0.6 + 0.425 8= 1.024

16、8m,削力的變化頻率 800 Hz作為強迫振動頻率,相位與最大徑向力作用下的靜力變形量0.945 7m相角近似取為0,這樣就把激振力完全確定了.此時比,僅僅增加了 8 %左右.可見優(yōu)化設(shè)計后的結(jié)果主軸系統(tǒng)受到的力可以描述為( )是可行的.( ) ( ) 0 13.2 靜力分析4 結(jié)論首先對切削點處在最大徑向切削力402 N作用下的變形進行靜力分析 ,得到變形如圖 6 所示,1) 支承跨距對軸系的動態(tài)特性影響不是單調(diào)此時的變形量為0.945 7m.相同的方法,在181 N的,選擇合適的跨距可以有效地提高整個主軸系徑向力作用下,切削點處變形量為0.425 8m.統(tǒng)的固有頻率和剛度.2) 軸承自身剛

17、度對軸系固有頻率有直接影響,并且是單調(diào)的,軸承預(yù)緊剛度越好,軸系的固有頻率越高,在可能的情況下應(yīng)盡量選用剛度較高的軸承,但預(yù)緊不是無限的,要考慮裝配和發(fā)熱.3) 靠近加工區(qū)域的軸承組的剛度對軸系剛度和固有頻率影響最大,應(yīng)選用較高剛度軸承,同時軸承支承內(nèi)結(jié)合表面的精度和剛度要求較高,以保證內(nèi)徑均勻受力.圖 6 主軸單元靜力變形4) 盡可能減少激振源及激振力的振幅,避免3.3 對激振力的諧響應(yīng)分析共振現(xiàn)象的產(chǎn)生.主軸單元的激振力除了切削力取激振力的頻率為7001500 Hz,載荷子步為外,還有主軸自身產(chǎn)生的慣性力、不平衡力等,因100 ,得出切削點對激振力的徑向響應(yīng)位移隨激振此必須采用嚴格的對稱設(shè)

18、計原理 ,并對其進行動 平衡.頻率變化的曲線,如圖7所示.(下轉(zhuǎn)第46 頁)46重 慶 工 學(xué) 院 學(xué) 報制爐內(nèi)SiC粉源的填充密度和透氣性,填充密度與置及籽晶底座之外,還可改變感應(yīng)線圈中的載荷導(dǎo)熱系數(shù)及對流換熱系數(shù)有一定關(guān)系.增加和石墨坩堝的厚度.粉源的透氣性有利于熱量的傳遞及升華 ,但要求 透氣性的增加不影響到 SiC粉源的填充密度.通過參考文獻:采用合理的工藝如采用調(diào)SiC粉源晶粒的尺寸、減少雜質(zhì)含量等措施可以既增加粉源的透氣性又增 加爐料的填充密度;三是減少生長爐外表的散熱1 Cree. Cree 是 LED芯片、高功率LED、LED 背光源、開關(guān)電源器件和無線通信器件的市場領(lǐng)導(dǎo)者 EB/OL.損失及防止熱量對操作人員的影響,應(yīng)當(dāng)適當(dāng)增1996 - 04 - 11.加保溫料的厚度.通過以上幾個方面的改進,可以2 Erwin Schmitt , Thomas Straubinger , Michael Rasp , et al.改善SiC單晶生長區(qū)域的溫度分布,從而提高 SiCAndreas Wohlfart , Polytype stability and defects in differ2 ently doped bulk SiCJ. Journal of Crystal Growth,2008,單晶的生長率和成品率.