搜索陶瓷-钢复合结构高速电主轴的研究（下）
2016-12-07 by:CAE仿真在线 来源:互联网
陶瓷-钢复合结构高速电主轴的研究(下)
通过模态分析确定主轴组件的振动特性,即固有频率和振型。利用Ansys Workbench中的模态分析模块进行分析,得到模型的前六阶振型变形云图,如图5所示。
采用相同方法对钢质主轴组件进行分析,得到其前六阶振型变形云图(略),并与陶瓷-钢主轴进行对比,如表3所示。
通过对比可知:两种电主轴的第一阶固有频率都接近0 Hz,此时模型处于刚体模态的状态,与之相对应的振型为主轴的刚体位移;在相同条件下,陶瓷-钢主轴的各阶固有频率都高于钢质电主轴,提高程度从17.1%到28.4%不等,由此可见,使用氮化硅陶瓷作为主轴的主体材料能有效提高电主轴的极限转速,不易发生共振。
谐响应分析用于确定结构系统在持续性周期载荷作用下的周期响应。电主轴工作时受到的周期性载荷主要是刀具的激振力,若激振力频率与电主轴固有频率相同时则会产生共振,故对电主轴在切削力作用下的谐响应进行分析。
激振力的确定公式如下:
第一阶非零固有频率(表3中第二阶固有频率)从根本上制约电主轴的最高转速,首先对第一阶非零固有频率的振动特性进行研究,为了清楚看到变形量的变化,将频率范围定在700~1700 Hz,通过谐响应分析得到陶瓷-钢主轴前端变形量随频率的变化曲线,如图6所示。
由图6可见,轴端位移最大值出现在频率1 400 Hz左右,即在第二阶固有频率处主轴发生共振,最大变形量(振幅)为39.8 μm,此时主轴的径向刚度只有22.7 N/μm。设计转速为24 000 r/min,对应的工作频率为400 Hz,远小于1 400 Hz,故陶瓷-钢电主轴在工作转速范围内不会发生共振,具有很高的极限转速。
取主轴前后端和电机转子中部三处分析切削力作用下的变形量,设定频率范围为700~1 700 Hz,各处径向变形随频率变化曲线如图7所示。
由图1可知,在第一阶非零固有频率附近,与主轴前端和后端相比,电机转子中部变形量最大,最大变形量为53.1 μm,此时陶瓷电主轴的刚度严重不足,主轴单元在共振的情况下很可能会发生破坏,电动机转子的中部是整个电主轴单元中最危险的部位,进行电主轴结构设计时,应将转子中部变形作为检验指标。
(1)相同尺寸条件下,陶瓷-钢复合结构电主轴比钢质电主轴具有更高的刚度,刚度提高约41.1%。
(2)陶瓷-钢复合结构电主轴的各阶固有频率普遍高于钢质主轴,提高程度从17.1%到28.4%不等,对应的极限转速远高于电主轴工作转速,电主轴具有更好的动态性能。
(3)电主轴的主轴组件发生变形最大的部位在电机转子中部,减小其变形有助于提高电主轴动态性能,设计中应作为重点检验指标。
作者:王军
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