鏜軸結構靜動態分析

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本文作者：王哲元 單位：齊齊哈爾二機床（集團）有限責任公司

1引言

鏜軸是數控銑鏜機床中主要部件之一，也是直接承受載荷的部件。鏜軸的靜動態特性直接影響整個機床的精度、加工性能和產品質量。鏜軸向外伸出時下垂變形問題是國內外生產數控銑鏜機床廠家必須面對的主要難題，因而對鏜軸現有的結構進行研究分析，對于改進與優化結構，提高整個機床的精度具有十分重要的現實意義和經濟效益。本文以TK6920DA數控落地銑鏜床的鏜軸為研究對象，利用有限元軟件ANSYS對其結構進行分析和優化。

2鏜軸伸出變形有限元分析

當鏜軸伸出一定長度后，由于有支撐的約束，伸出部分形成懸臂梁結構。由于自重及其它因素的影響，以及前后移動造成的受力不均、重心偏移等，會使鏜軸懸伸部分產生從根部到端部的下垂彎曲變形，這種變形誤差勢必會引起刀具的徑向跳動誤差和角度擺動加大，從而直接影響被加工件的加工精度和表面質量。ANSYS有限元分析模型，采用了接近鏜軸實際工作情況的支撐形式，如圖1所示。

（1）在切削力條件下鏜軸伸出分別考慮不同切削力方向作用下鏜軸的變形，每次伸出100mm。經計算，鏜軸伸出1/3時，使用全切削力，伸出1/3到2/3，使用2/3的切削力，伸出2/3以后，使用1/3的切削力。扭矩6000N•m，鏜刀切削半徑取150mm。軸向力5萬N。經分析，最大切削力作用下鏜軸各個方向最大變形量為0.6mm左右。900mm處允許的最大切削力下降，所以變形曲線趨勢發生局部變化，分析結果如圖2及表1所示。首先分析軸向切削力引起的鏜軸自身變形。伸出從0~500mm之間，軸向變形量小于0.005mm，伸出600mm時變形量0.006mm，伸出700mm時變形量為0.009mm。伸出800mm后變形達到0.01mm。伸出900mm之后變化幅度增加，最終達到0.04mm。滑枕伸出后產生自然撓度，伸出越多撓度越大，軸向力作用下，產生的軸向變形就越大。但總體來說，鏜軸自身軸向變形較小。分析切削力引起的圓周最大誤差。伸出200mm最大誤差在0.05mm以內。伸出300~600mm，最大誤差從0.01mm增加到0.04mm。之后的誤差量變化幅度提高，伸出1200mm時最大誤差已經達到0.012mm。所以鏜軸加工深孔要考慮增加必要的輔助支撐。

（2）在鏜軸伸出1200mm、無切削力作用下，改變鏜軸內孔直徑的變形分析。從表2中分析結果可以得知，內孔直徑65～00mm范圍內，鏜軸變形量范圍在0.05mm，內孔直徑改變對鏜軸變形的影響有限。從靜剛度的角度來看，鏜軸內孔變化對鏜軸剛度影響不大。

（3）在鏜軸伸出1200mm、無切削力作用下，改變鏜軸支撐位的變形分析。鏜軸在銑軸內，由銑軸前后兩個套筒進行支撐。分別調整前端支撐和后端支撐的長度觀察鏜軸最大變形量，結果如表3所示。從表中數據可以明顯看出，分別改變前后支撐時，鏜軸變形量在0.001mm以內。從有限元分析結果看，支撐尺寸變形對鏜軸剛度影響有限。

3結論

通過對不同條件下鏜軸伸出變形量的比較，得到以下結論：（1）鏜軸伸出500mm范圍內自重變形較小，伸出900mm之后變形加劇。（2）鏜軸伸出后切削，變形量較大，必要時增加輔助支撐提高剛度。（3）鏜軸支撐寬度、鏜軸內孔直徑變化，對鏜軸靜剛度影響有限。本文對鏜軸結構進行了詳細的靜動態分析和優化設計，為鏜軸精度研究提供了重要數據基礎。