高速干式切削滚齿机刀架部件滚刀轴优化设计.pdf

X 收 稿 日 期 :2008 - 08 - 13基 金 项 目 :重 庆 市 科 委 攻 关 项 目 (CSTC ,2005AC3033) .作 者 简 介 :陈 碧 楠 (1965 ) ,女 ,福 建 人 ,教 授 级 高 级 工 程 师 ,主 要 从 事 冶 金 设 备 设 计 研 究 .高 速 干 式 切 削 滚 齿 机 刀 架 部 件 滚 刀 轴 优 化 设 计 X陈 碧 楠 1 ,宋 2(1. 中 冶 赛 迪 工 程 技 术 股 份 有 限 公 司 ,重 庆 400013 ; 2. 重 庆 工 学 院 重 庆 汽 车 学 院 ,重 庆 400050)摘 要 :分 析 影 响 高 速 干 式 切 削 滚 齿 机 滚 刀 轴 动 态 特 性 的 因 素 ,用 ANSYS软 件 分 别 从 轴 承 支 承 跨 距和 轴 承 刚 度 两 个 方 面 对 滚 刀 轴 进 行 建 模 和 优 化 设 计 ,并 对 优 化 结 果 进 行 模 拟 验 证 .关 键 词 :滚 齿 机 ;滚 刀 轴 ;优 化 设 计 ;有 限 元中 图 分 类 号 :TG721 文 献 标 识 码 :A 文 章 编 号 :1671 - 0924 (2008) 11 - 0038 - 04Optimum Design of Hobbing Shaft of Hob2head Partfor High2speed Dry2cutting Gear Hobbing MachineCHEN Bi2Nan1 , SONG Kun2(1. CISDI Engineering Co. Ltd. , Chongqing 400013 , China ; 2. Chongqing Institute of Automobile ,Chongqing Institute of Technology , Chongqing 400050 , China)Abstract : This paper analyzes and takes into account the factors which can influence dynamic characteris2tics of hob shaft. By using ANSYS , this paper builds the model and completes the optimum design from theaspects of bearing span and bearing rigidity , and validates the analysis result with simulation method andcomes to a conclusion.Key words : gear hobbing machine ; hobbing shaft ; optimum ; finite element analysis随 着 我 国 制 造 业 的 快 速 发 展 ,齿 轮 的 需 求 量日 益 增 加 ,各 行 业 对 齿 轮 加 工 的 效 率 、 质 量 及 加 工成 本 的 要 求 愈 来 愈 高 ,使 得 滚 齿 机 朝 着 高 速 高 效化 、 全 数 控 化 、 环 保 化 、 智 能 化 以 及 网 络 化 的 方 向发 展 . 高 速 干 式 切 削 滚 齿 机 是 满 足 上 述 需 求 的 新一 代 的 滚 齿 机 ,它 将 滚 刀 轴 ( B 轴 ) 与 工 件 轴 ( C轴 )之 间 的 联 动 关 系 交 由 数 控 系 统 或 者 专 门 的 电子 齿 轮 模 块 处 理 ,让 滚 刀 轴 和 工 件 轴 从 冗 长 的 差动 传 动 链 中 解 放 出 来 ,分 别 由 内 置 主 轴 电 机 和 内置 力 矩 电 机 直 接 驱 动 ,从 而 使 滚 刀 轴 和 工 件 轴 的转 速 数 量 级 得 到 提 升 ,其 中 滚 刀 轴 的 转 速 可 达 到3 000 r/ min以 上 ,满 足 干 式 切 削 的 速 度 要 求 ,不 仅极 大 地 提 高 了 生 产 效 率 ,而 且 由 于 干 式 切 削 不 需要 任 何 油 液 冷 却 ,使 加 工 的 过 程 更 加 环 保 .刀 架 部 件 是 高 速 干 式 切 削 滚 齿 机 的 核 心 部 件之 一 ,其 设 计 的 关 键 在 于 滚 刀 轴 轴 系 的 设 计 . 由 于滚 刀 转 速 很 高 ,使 得 加 工 过 程 中 切 削 力 的 激 振 频率 很 高 ,所 以 设 计 的 难 点 不 仅 在 于 静 刚 度 是 否 能满 足 精 度 要 求 ,如 何 提 高 滚 刀 轴 轴 系 的 动 态 特 性 ,避 开 共 振 区 更 是 其 设 计 的 重 中 之 重 . 一 般 说 来 ,一第 22 卷 第 11 期Vol. 22 No. 11重 庆 工 学 院 学 报 (自 然 科 学 )Journal of Chongqing Institute of Technology(Natural Science)2008 年 11 月Nov. 2008阶 固 有 频 率 应 高 于 切 削 激 振 力 频 率 的 25 %以 上 才能 保 证 静 刚 度 成 为 影 响 主 轴 精 度 的 主 要 因 素 . 本研 究 以 YKS3610 型 高 速 滚 齿 机 滚 刀 轴 为 例 ,采 用有 限 元 方 法 ,通 过 ANSYS 对 刀 架 主 轴 系 统 进 行 建模 和 分 析 ,以 固 有 频 率 为 优 化 目 标 ,完 成 对 其 的 优化 设 计 .1 模 型 建 立YKS3610 型 滚 齿 机 刀 架 部 件 主 轴 轴 系 包 含 电主 轴 、 刀 杆 以 及 活 动 支 承 3 个 部 分 . 电 主 轴 由 主轴 、 轴 承 、 电 机 、 壳 体 组 成 ,其 中 壳 体 固 定 不 动 ,电机 定 子 固 定 在 壳 体 上 ,进 行 分 析 时 将 两 者 看 做 刚体 ,可 以 不 加 考 虑 . 电 主 轴 的 主 轴 是 阶 梯 轴 ,中 空 ,由 2 组 轴 承 支 承 ,采 用 一 端 固 定 一 端 游 动 的 支 承方 式 ,靠 近 加 工 区 域 的 一 端 固 定 ,远 离 加 工 区 域 的一 端 游 动 ,固 定 端 采 用 双 列 圆 柱 滚 子 轴 承 和 60 接触 双 列 推 力 球 轴 承 配 对 支 承 ,浮 动 端 采 用 双 联 角接 触 球 轴 承 支 承 ,既 能 保 证 刚 度 和 加 工 精 度 ,又 为主 轴 热 膨 胀 留 下 伸 缩 空 间 . 主 轴 与 刀 杆 刚 性 联 接 ,可 将 两 者 看 作 一 体 . 刀 杆 由 滚 针 轴 承 支 承 ,这 样 ,主 轴 - 刀 杆 系 统 由 3 组 轴 承 支 承 ,为 静 不 定 结 构 .要 全 面 地 分 析 主 轴 的 动 静 态 特 性 ,必 须 将 主 轴 、 轴承 、 刀 杆 以 及 辅 助 支 承 的 轴 承 看 作 一 个 系 统 进 行分 析 . 主 轴 单 元 结 构 对 称 、 形 状 简 单 ,可 作 为 空 间弹 性 梁 来 处 理 ,选 用 ANSYS 程 序 中 空 心 轴 特 征 的BEAM23 单 元 来 模 拟 ,对 不 同 的 轴 径 采 用 不 同 的 实参 数 . 对 主 轴 - 刀 杆 系 统 更 为 详 细 的 简 化 : 将 轴承 组 简 化 为 单 个 弹 性 支 撑 ,根 据 技 术 资 料 ,选 用 的背 对 背 双 联 角 接 触 球 轴 承 的 作 用 点 在 25. 3 mm处 ,双 列 圆 柱 滚 子 轴 承 - 双 向 推 力 角 接 触 球 轴 承组 由 于 前 者 不 能 承 受 径 向 力 ,作 用 点 定 在 圆 柱 滚子 轴 承 的 中 线 处 ,滚 针 轴 承 的 作 用 点 在 其 中 线 处 ; 认 为 轴 承 只 具 备 径 向 刚 度 ,不 具 有 角 刚 度 ,进 一步 将 轴 承 简 化 为 径 向 的 压 缩 弹 簧 质 量 单 元 ; 忽略 轴 承 负 荷 及 转 速 对 轴 承 刚 度 的 影 响 ,将 轴 承 刚度 看 成 一 个 常 数 ,用 COMBINE14 弹 簧 单 元 进 行 模拟 ; 将 电 机 转 子 和 转 子 套 等 效 为 同 密 度 轴 材 料 ,将 其 与 主 轴 看 成 一 体 ; 当 主 轴 内 孔 阶 梯 度 不 大时 ,简 化 为 当 量 内 孔 .根 据 上 述 简 化 原 则 ,将 主 轴 单 元 划 分 为 14段 ,15 个 节 点 ,其 中 节 点 1 10 为 电 主 轴 ,节 点10 15 为 刀 杆 . 建 立 的 有 限 元 模 型 如 图 1 所 示 ,共15 个 关 键 点 ,14 段 .图 1 刀 架 主 轴 单 元 简 化 模 型2 优 化 设 计由 于 机 械 系 统 是 典 型 的 欠 阻 尼 系 统 ,如 果 发生 共 振 ,即 切 削 激 振 力 的 频 率 与 机 械 系 统 的 固 有频 率 一 致 或 者 相 当 接 近 时 ,机 械 强 度 会 成 倍 地 下降 ,所 以 在 高 速 切 削 的 条 件 下 ,静 刚 度 不 再 是 设 计的 焦 点 ,如 何 提 高 系 统 的 动 态 特 性 ,避 免 共 振 才 是设 计 的 重 点 . 干 式 切 削 滚 齿 机 滚 刀 轴 转 速 很 高 ,设计 时 应 当 采 取 措 施 尽 量 提 高 主 轴 系 统 的 一 阶 固 有频 率 ,使 之 至 少 超 过 切 削 力 频 率 的 25 %以 上 ,所 以将 固 有 频 率 作 为 优 化 的 目 标 是 合 适 的 .固 有 频 率 跟 系 统 的 刚 度 和 质 量 有 关 ,随 着 前者 的 增 大 和 后 者 的 减 小 而 非 线 性 的 增 大 . 那 么 ,轴系 本 身 的 结 构 、 质 量 、 刚 度 以 及 支 承 刚 度 都 是 影 响固 有 频 率 的 因 素 . 选 定 合 适 的 内 置 主 轴 电 机 后 ,主轴 的 轴 径 、 轴 阶 的 长 度 都 根 据 电 机 数 据 定 出 ,而 刀杆 轴 径 和 长 度 也 依 据 滚 刀 数 据 定 出 ,即 轴 系 的 结93陈 碧 楠 ,等 :高 速 干 式 切 削 滚 齿 机 刀 架 部 件 滚 刀 轴 优 化 设 计 构 和 质 量 基 本 确 定 ,对 轴 系 固 有 频 率 的 影 响 几 乎是 不 可 调 的 . 因 此 ,对 轴 系 固 有 频 率 影 响 最 大 的 参数 就 是 电 主 轴 轴 承 支 承 的 跨 距 及 轴 承 自 身 的 刚度 .下 面 就 这 两 个 因 素 对 滚 刀 轴 轴 系 固 有 频 率 的影 响 加 以 分 析 ,并 提 出 优 化 策 略 .2. 1 轴 承 支 承 跨 距 的 优 化以 固 有 频 率 为 目 标 的 优 化 必 须 在 模 态 分 析 的基 础 上 进 行 ,按 照 图 1 所 示 模 型 ,在 ANSYS 软 件 界面 建 模 ,如 图 2 所 示 .图 2 滚 刀 轴 轴 系 ANSYS分 析 几 何 模 型在 设 计 中 ,为 保 证 前 端 悬 伸 量 不 变 ,固 定 端 轴承 组 的 支 承 位 置 不 变 ,通 过 改 变 游 走 端 双 联 角 接触 球 轴 承 的 支 承 位 置 ,即 图 1 所 示 的 节 点 2 的 位置 来 改 变 跨 距 . 按 实 际 加 工 情 况 施 加 约 束 后 ,用 子空 间 法 进 行 模 态 分 析 ,可 得 到 不 同 跨 距 下 轴 系 的一 阶 固 有 频 率 ,如 图 3 所 示 .图 3 支 承 跨 距 对 轴 固 有 频 率 的 影 响由 图 3 可 见 ,跨 距 对 主 轴 系 统 刚 度 的 影 响 不是 单 调 的 ,在 跨 距 为 343 mm 时 ,主 轴 系 统 的 一 阶固 有 频 率 达 到 最 大 值 . 由 于 实 际 结 构 的 限 制 ,选 取跨 距 为 348 mm. 在 此 跨 距 下 ,轴 系 一 阶 固 有 频 率 为1 018 Hz ,该 型 滚 齿 机 滚 刀 轴 最 高 设 计 转 速 为4 000 r/ min ,滚 刀 有 12 个 容 屑 槽 ,则 切 削 力 最 高 激振 频 率 为 4 000 12/ 60 = 800 Hz , 轴 系 一 阶 固 有 频率 高 于 最 大 激 振 频 率 25 %以 上 ,满 足 设 计 要 求 .2. 2 轴 承 预 紧 刚 度 对 轴 系 固 有 频 率 的 影 响首 先 研 究 固 定 端 双 列 圆 柱 滚 子 轴 承 对 固 有 频率 的 影 响 . 确 定 轴 系 跨 距 为 348 mm ,维 持 另 外 两 个轴 承 组 刚 度 不 变 ,改 变 双 列 圆 柱 滚 子 轴 承 预 紧 量 ,使 其 刚 度 变 为 25. 24 N/ m、 252. 4 N/ m、 2 524N/ m、 25 240 N/ m ,通 过 ANSYS 软 件 的 分 析 ,可得 到 主 轴 系 统 固 有 频 率 的 变 化 ,如 图 4.图 4 双 列 圆 柱 滚 子 轴 承 对 主 轴 系 统 固 有 频 率 的 影 响同 理 ,改 变 刀 杆 活 动 支 承 的 滚 针 轴 承 过 盈 量 ,使 之 刚 度 变 为 37. 86 N/ m、 378. 6 N/ m、3 786 N/ m、 37 860 N/ m ,其 余 轴 承 刚 度 维 持 不变 ,经 分 析 得 到 主 轴 系 统 固 有 频 率 的 变 化 ,如 图 5.图 5 滚 针 轴 承 对 主 轴 系 统 固 有 频 率 的 影 响由 上 面 的 分 析 结 果 可 以 看 到 ,主 轴 系 统 的 固有 频 率 随 着 轴 承 刚 度 的 增 加 而 单 调 增 加 ,开 始 增长 很 明 显 ,到 后 面 增 长 则 相 当 平 缓 . 当 设 计 的 预 紧过 盈 量 为 2 m 时 ,两 种 轴 承 预 紧 刚 度 分 别 为2 524 N/ m和 3 786 N/ m ,此 时 轴 系 固 有 频 率 为1 018 Hz ,满 足 要 求 . 若 要 进 一 步 明 显 提 升 轴 系 固有 频 率 则 需 要 成 数 量 级 的 提 高 轴 承 预 紧 刚 度 ,这意 味 着 相 当 大 的 轴 承 过 盈 量 ,会 极 大 增 加 装 配 难度 ,得 不 偿 失 ,甚 至 根 本 无 法 实 现 . 此 外 ,大 的 预 紧力 意 味 着 大 的 摩 擦 力 矩 ,在 高 速 下 极 易 导 致 轴 承和 主 轴 的 温 升 ,不 利 于 主 轴 速 度 的 提 高 ,共 振 振 幅04 重 庆 工 学 院 学 报 也 可 能 大 幅 度 增 加 .对 比 两 图 可 发 现 ,双 列 圆 柱 滚 子 轴 承 的 刚 度对 主 轴 系 统 的 固 有 频 率 的 影 响 很 大 ,预 紧 不 好 ,会使 主 轴 系 统 的 固 有 频 率 掉 入 共 振 区 (800 Hz 以下 ) . 因 此 认 真 调 整 轴 承 预 紧 力 ,对 保 证 其 刚 度 非常 重 要 .3 模 拟 验 证根 据 优 化 结 果 ,可 以 确 定 最 佳 的 跨 距 和 可 实现 的 轴 承 最 佳 预 紧 刚 度 ,下 面 通 过 轴 系 切 削 点 处对 切 削 力 的 谐 响 应 分 析 对 优 化 结 果 进 行 模 拟 .3. 1 确 定 加 工 时 激 振 力为 了 分 析 简 单 ,可 将 最 大 径 向 力 与 平 均 径 向力 之 差 作 为 简 谐 激 振 力 的 幅 值 ,滚 刀 轴 承 受 的 最大 径 向 力 为 402 N ,平 均 径 向 力 为 最 大 径 向 力 的45 % ,则 激 振 力 的 幅 值 为 221 N ,将 最 大 转 速 下 切削 力 的 变 化 频 率 800 Hz 作 为 强 迫 振 动 频 率 ,相 位角 近 似 取 为 0 ,这 样 就 把 激 振 力 完 全 确 定 了 . 此 时主 轴 系 统 受 到 的 力 可 以 描 述 为P( t) = P0 + P1sin( t + ) = 181 + 221sin( t + )3. 2 静 力 分 析首 先 对 切 削 点 处 在 最 大 径 向 切 削 力 402 N 作用 下 的 变 形 进 行 静 力 分 析 ,得 到 变 形 如 图 6 所 示 ,此 时 的 变 形 量 为 0. 945 7 m. 相 同 的 方 法 ,在 181 N径 向 力 作 用 下 ,切 削 点 处 变 形 量 为 0. 425 8 m.图 6 主 轴 单 元 静 力 变 形3. 3 对 激 振 力 的 谐 响 应 分 析取 激 振 力 的 频 率 为 700 1500 Hz ,载 荷 子 步 为100 ,得 出 切 削 点 对 激 振 力 的 径 向 响 应 位 移 随 激 振频 率 变 化 的 曲 线 ,如 图 7 所 示 .图 7 切 削 点 的 位 移 响 应 位 移 - 频 率 曲 线由 图 7 可 知 ,在 700 Hz 至 1500 Hz 的 频 率 范 围内 切 削 点 有 2 个 位 移 响 应 峰 值 ,分 别 在 1 018 Hz和1 376 Hz附 近 ,这 2 个 频 率 正 好 是 主 轴 系 统 的 一 阶和 二 阶 固 有 频 率 . 最 高 工 作 频 率 为 800 Hz ,因 此 能够 有 效 避 开 共 振 区 , 800 Hz 处 切 削 点 的 变 形 为0. 6 m ,加 上 稳 态 力 181 N 产 生 的 静 力 变 形 ,实 际加 工 过 程 中 变 形 量 为 0. 6 + 0. 425 8 = 1. 024 8 m ,与 最 大 径 向 力 作 用 下 的 静 力 变 形 量 0. 945 7 m相比 ,仅 仅 增 加 了 8 %左 右 . 可 见 优 化 设 计 后 的 结 果是 可 行 的 .4 结 论1) 支 承 跨 距 对 轴 系 的 动 态 特 性 影 响 不 是 单 调的 ,选 择 合 适 的 跨 距 可 以 有 效 地 提 高 整 个 主 轴 系统 的 固 有 频 率 和 刚 度 .2) 轴 承 自 身 刚 度 对 轴 系 固 有 频 率 有 直 接 影 响 ,并 且 是 单 调 的 ,轴 承 预 紧 刚 度 越 好 ,轴 系 的 固 有 频率 越 高 ,在 可 能 的 情 况 下 应 尽 量 选 用 刚 度 较 高 的 轴承 ,但 预 紧 不 是 无 限 的 ,要 考 虑 装 配 和 发 热 .3) 靠 近 加 工 区 域 的 轴 承 组 的 刚 度 对 轴 系 刚 度和 固 有 频 率 影 响 最 大 ,应 选 用 较 高 刚 度 轴 承 ,同 时轴 承 支 承 内 结 合 表 面 的 精 度 和 刚 度 要 求 较 高 ,以保 证 内 径 均 匀 受 力 .4) 尽 可 能 减 少 激 振 源 及 激 振 力 的 振 幅 ,避 免共 振 现 象 的 产 生 . 主 轴 单 元 的 激 振 力 除 了 切 削 力外 ,还 有 主 轴 自 身 产 生 的 惯 性 力 、 不 平 衡 力 等 ,因此 必 须 采 用 严 格 的 对 称 设 计 原 理 ,并 对 其 进 行 动平 衡 .(下 转 第 46 页 )14陈 碧 楠 ,等 :高 速 干 式 切 削 滚 齿 机 刀 架 部 件 滚 刀 轴 优 化 设 计 制 炉 内 SiC粉 源 的 填 充 密 度 和 透 气 性 ,填 充 密 度 与导 热 系 数 及 对 流 换 热 系 数 有 一 定 关 系 . 增 加粉 源 的 透 气 性 有 利 于 热 量 的 传 递 及 升 华 ,但 要 求透 气 性 的 增 加 不 影 响 到 SiC粉 源 的 填 充 密 度 . 通 过采 用 合 理 的 工 艺 如 采 用 调 SiC粉 源 晶 粒 的 尺 寸 、 减少 杂 质 含 量 等 措 施 可 以 既 增 加 粉 源 的 透 气 性 又 增加 炉 料 的 填 充 密 度 ;三 是 减 少 生 长 炉 外 表 的 散 热损 失 及 防 止 热 量 对 操 作 人 员 的 影 响 ,应 当 适 当 增加 保 温 料 的 厚 度 . 通 过 以 上 几 个 方 面 的 改 进 ,可 以改 善 SiC单 晶 生 长 区 域 的 温 度 分 布 ,从 而 提 高 SiC单 晶 的 生 长 率 和 成 品 率 .5 结 论1) 有 限 元 法 计 算 无 内 热 源 非 稳 态 温 度 场 的 基本 计 算 方 程 为9JD9Tl = kD kr9Wl9x9T9x +9Wl9r9T9r + cpWlr9T9r d xd r - kWlr 9T9nds = 0 , ( l = 1 ,2 , , n)2) 改 善 SiC单 晶 炉 生 长 腔 内 温 度 场 分 布 的 措施 ,除 了 改 变 石 墨 坩 埚 的 形 状 、 感 应 加 热 线 圈 的 位置 及 籽 晶 底 座 之 外 ,还 可 改 变 感 应 线 圈 中 的 载 荷和 石 墨 坩 埚 的 厚 度 .参 考 文 献 :1 Cree. Cree 是 LED 芯 片 、 高 功 率 LED