收稿日期 2008 08 13 基金項目 重慶市科委攻關項目 CSTC 2005AC3033 作者簡介 陳碧楠 1965 女 福建人 教授級高級工程師 主要從事冶金設備設計研究 高速干式切削滾齒機刀架部件滾刀軸優化設計 陳碧楠1 宋 2 1 中冶賽迪工程技術股份有限公司 重慶 400013 2 重慶工學院 重慶汽車學院 重慶 400050 摘要 分析影響高速干式切削滾齒機滾刀軸動態特性的因素 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化設計 并對優化結果進行模擬驗證 關 鍵 詞 滾齒機 滾刀軸 優化設計 有限元 中圖分類號 TG721 文獻標識碼 A文章編號 1671 0924 2008 11 0038 04 Optimum Design of Hobbing Shaft of Hob2head Part for High2speed Dry2cutting Gear Hobbing Machine CHEN 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 characteris2 tics of hob shaft By using ANSYS this paper builds the model and completes the optimum design from the aspects of bearing span and bearing rigidity and validates the analysis result with simulation method and comes to a conclusion Key words gear hobbing machine hobbing shaft optimum finite element analysis 隨著我國制造業的快速發展 齒輪的需求量 日益增加 各行業對齒輪加工的效率 質量及加工 成本的要求愈來愈高 使得滾齒機朝著高速高效 化 全數控化 環?；?智能化以及網絡化的方向 發展 高速干式切削滾齒機是滿足上述需求的新 一代的滾齒機 它將滾刀軸 B軸 與工件軸 C 軸 之間的聯動關系交由數控系統或者專門的電 子齒輪模塊處理 讓滾刀軸和工件軸從冗長的差 動傳動鏈中解放出來 分別由內置主軸電機和內 置力矩電機直接驅動 從而使滾刀軸和工件軸的 轉速數量級得到提升 其中滾刀軸的轉速可達到 3 000 r min以上 滿足干式切削的速度要求 不僅 極大地提高了生產效率 而且由于干式切削不需 要任何油液冷卻 使加工的過程更加環保 刀架部件是高速干式切削滾齒機的核心部件 之一 其設計的關鍵在于滾刀軸軸系的設計 由于 滾刀轉速很高 使得加工過程中切削力的激振頻 率很高 所以設計的難點不僅在于靜剛度是否能 滿足精度要求 如何提高滾刀軸軸系的動態特性 避開共振區更是其設計的重中之重 一般說來 一 第22卷 第11期 Vol 22 No 11 重 慶 工 學 院 學 報 自然科學 Journal of Chongqing Institute of Technology Natural Science 2008年11月 Nov 2008 階固有頻率應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 研究以YKS3610型高速滾齒機滾刀軸為例 采用 有限元方法 通過ANSYS對刀架主軸系統進行建 模和分析 以固有頻率為優化目標 完成對其的優 化設計 1 模型建立 YKS3610型滾齒機刀架部件主軸軸系包含電 主軸 刀桿以及活動支承3個部分 電主軸由主 軸 軸承 電機 殼體組成 其中殼體固定不動 電 機定子固定在殼體上 進行分析時將兩者看做剛 體 可以不加考慮 電主軸的主軸是階梯軸 中空 由2組軸承支承 采用一端固定一端游動的支承 方式 靠近加工區域的一端固定 遠離加工區域的 一端游動 固定端采用雙列圓柱滾子軸承和60 接 觸雙列推力球軸承配對支承 浮動端采用雙聯角 接觸球軸承支承 既能保證剛度和加工精度 又為 主軸熱膨脹留下伸縮空間 主軸與刀桿剛性聯接 可將兩者看作一體 刀桿由滾針軸承支承 這樣 主軸 刀桿系統由3組軸承支承 為靜不定結構 要全面地分析主軸的動靜態特性 必須將主軸 軸 承 刀桿以及輔助支承的軸承看作一個系統進行 分析 主軸單元結構對稱 形狀簡單 可作為空間 彈性梁來處理 選用ANSYS程序中空心軸特征的 BEAM23單元來模擬 對不同的軸徑采用不同的實 參數 對主軸 刀桿系統更為詳細的簡化 將軸 承組簡化為單個彈性支撐 根據技術資料 選用的 背對背雙聯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 組由于前者不能承受徑向力 作用點定在圓柱滾 子軸承的中線處 滾針軸承的作用點在其中線處 認為軸承只具備徑向剛度 不具有角剛度 進一 步將軸承簡化為徑向的壓縮彈簧質量單元 忽 略軸承負荷及轉速對軸承剛度的影響 將軸承剛 度看成一個常數 用COMBINE14彈簧單元進行模 擬 將電機轉子和轉子套等效為同密度軸材料 將其與主軸看成一體 當主軸內孔階梯度不大 時 簡化為當量內孔 根據上述簡化原則 將主軸單元劃分為14 段 15個節點 其中節點1 10為電主軸 節點 10 15為刀桿 建立的有限元模型如圖1所示 共 15個關鍵點 14段 圖1 刀架主軸單元簡化模型 2 優化設計 由于機械系統是典型的欠阻尼系統 如果發 生共振 即切削激振力的頻率與機械系統的固有 頻率一致或者相當接近時 機械強度會成倍地下 降 所以在高速切削的條件下 靜剛度不再是設計 的焦點 如何提高系統的動態特性 避免共振才是 設計的重點 干式切削滾齒機滾刀軸轉速很高 設 計時應當采取措施盡量提高主軸系統的一階固有 頻率 使之至少超過切削力頻率的25 以上 所以 將固有頻率作為優化的目標是合適的 固有頻率跟系統的剛度和質量有關 隨著前 者的增大和后者的減小而非線性的增大 那么 軸 系本身的結構 質量 剛度以及支承剛度都是影響 固有頻率的因素 選定合適的內置主軸電機后 主 軸的軸徑 軸階的長度都根據電機數據定出 而刀 桿軸徑和長度也依據滾刀數據定出 即軸系的結 93陳碧楠 等 高速干式切削滾齒機刀架部件滾刀軸優化設計 構和質量基本確定 對軸系固有頻率的影響幾乎 是不可調的 因此 對軸系固有頻率影響最大的參 數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 影響加以分析 并提出優化策略 2 1 軸承支承跨距的優化 以固有頻率為目標的優化必須在模態分析的 基礎上進行 按照圖1所示模型 在ANSYS軟件界 面建模 如圖2所示 圖2 滾刀軸軸系ANSYS分析幾何模型 在設計中 為保證前端懸伸量不變 固定端軸 承組的支承位置不變 通過改變游走端雙聯角接 觸球軸承的支承位置 即圖1所示的節點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3 支承跨距對軸固有頻率的影響 由圖3可見 跨距對主軸系統剛度的影響不 是單調的 在跨距為343 mm時 主軸系統的一階 固有頻率達到最大值 由于實際結構的限制 選取 跨距為348 mm 在此跨距下 軸系一階固有頻率為 1 018 Hz 該型滾齒機滾刀軸最高設計轉速為 4 000 r min 滾刀有12個容屑槽 則切削力最高激 振頻率為4 000 12 60 800 Hz 軸系一階固有頻 率高于最大激振頻率25 以上 滿足設計要求 2 2 軸承預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 軸承組剛度不變 改變雙列圓柱滾子軸承預緊量 使其 剛 度 變 為25 24 N m 252 4 N m 2 524 N m 25 240 N m 通過ANSYS軟件的分析 可 得到主軸系統固有頻率的變化 如圖4 圖4 雙列圓柱滾子軸承對主軸系統固有頻率的影響 同理 改變刀桿活動支承的滾針軸承過盈量 使 之 剛 度 變 為37 86 N m 378 6 N m 3 786 N m 37 860 N m 其余軸承剛度維持不 變 經分析得到主軸系統固有頻率的變化 如圖5 圖5 滾針軸承對主軸系統固有頻率的影響 由上面的分析結果可以看到 主軸系統的固 有頻率隨著軸承剛度的增加而單調增加 開始增 長很明顯 到后面增長則相當平緩 當設計的預緊 過盈量為2 m時 兩種軸承預緊剛度分別為 2 524 N m和3 786 N m 此時軸系固有頻率為 1 018 Hz 滿足要求 若要進一步明顯提升軸系固 有頻率則需要成數量級的提高軸承預緊剛度 這 意味著相當大的軸承過盈量 會極大增加裝配難 度 得不償失 甚至根本無法實現 此外 大的預緊 力意味著大的摩擦力矩 在高速下極易導致軸承 和主軸的溫升 不利于主軸速度的提高 共振振幅 04重 慶 工 學 院 學 報 也可能大幅度增加 對比兩圖可發現 雙列圓柱滾子軸承的剛度 對主軸系統的固有頻率的影響很大 預緊不好 會 使主軸系統的固有頻率掉入共振區 800 Hz以 下 因此認真調整軸承預緊力 對保證其剛度非 常重要 3 模擬驗證 根據優化結果 可以確定最佳的跨距和可實 現的軸承最佳預緊剛度 下面通過軸系切削點處 對切削力的諧響應分析對優化結果進行模擬 3 1 確定加工時激振力 為了分析簡單 可將最大徑向力與平均徑向 力之差作為簡諧激振力的幅值 滾刀軸承受的最 大徑向力為402 N 平均徑向力為最大徑向力的 45 則激振力的幅值為221 N 將最大轉速下切 削力的變化頻率800 Hz作為強迫振動頻率 相位 角近似取為0 這樣就把激振力完全確定了 此時 主軸系統受到的力可以描述為 P t P0 P1sin t 181 221sin t 3 2 靜力分析 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 此時的變形量為0 945 7 m 相同的方法 在181 N 徑向力作用下 切削點處變形量為0 425 8 m 圖6 主軸單元靜力變形 3 3 對激振力的諧響應分析 取激振力的頻率為700 1500 Hz 載荷子步為 100 得出切削點對激振力的徑向響應位移隨激振 頻率變化的曲線 如圖7所示 圖7 切削點的位移響應位移 頻率曲線 由圖7可知 在700 Hz至1500 Hz的頻率范圍 內切削點有2個位移響應峰值 分別在1 018 Hz和 1 376 Hz附近 這2個頻率正好是主軸系統的一階 和二階固有頻率 最高工作頻率為800 Hz 因此能 夠有效避開共振區 800 Hz處切削點的變形為 0 6 m 加上穩態力181 N產生的靜力變形 實際 加工過程中變形量為0 6 0 425 8 1 024 8 m 與最大徑向力作用下的靜力變形量0 945 7 m相 比 僅僅增加了8 左右 可見優化設計后的結果 是可行的 4 結論 1 支承跨距對軸系的動態特性影響不是單調 的 選擇合適的跨距可以有效地提高整個主軸系 統的固有頻率和剛度 2 軸承自身剛度對軸系固有頻率有直接影響 并且是單調的 軸承預緊剛度越好 軸系的固有頻 率越高 在可能的情況下應盡量選用剛度較高的軸 承 但預緊不是無限的 要考慮裝配和發熱 3 靠近加工區域的軸承組的剛度對軸系剛度 和固有頻率影響最大 應選用較高剛度軸承 同時 軸承支承內結合表面的精度和剛度要求較高 以 保證內徑均勻受力 4 盡可能減少激振源及激振力的振幅 避免 共振現象的產生 主軸單元的激振力除了切削力 外 還有主軸自身產生的慣性力 不平衡力等 因 此必須采用嚴格的對稱設計原理 并對其進行動 平衡 下轉第46頁 14陳碧楠 等 高速干式切削滾齒機刀架部件滾刀軸優化設計 制爐內SiC粉源的填充密度和透氣性 填充密度與 導熱系數 及對流換熱系數 有一定關系 增加 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 采用合理的工藝如采用調SiC粉源晶粒的尺寸 減 少雜質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 損失及防止熱量對操作人員的影響 應當適當增 加保溫料的厚度 通過以上幾個方面的改進 可以 改善SiC單晶生長區域的溫度分布 從而提高SiC 單晶的生長率和成品率 5 結論 1 有限元法計算無內熱源非穩態溫度場的基 本計算方程為 9JD 9Tl D kr 9Wl 9x 9T 9x 9Wl 9r 9T 9r cpWlr 9T 9r dxdr kWlr 9T 9nds 0 l 1 2 n 2 改善SiC單晶爐生長腔內溫度場分布的措 施 除了改變石墨坩堝的形狀 感應加熱線圈的位 置及籽晶底座之外 還可改變感應線圈中的載荷 和石墨坩堝的厚度 參考文獻 1 Cree Cree是LED芯片 高功率LED LED背光源 開 關電源器件和無線通信器件的市場領導者 EB OL 1996 04 11 www cree com 2 Erwin Schmitt Thomas Straubinger Michael Rasp et