四磨头磨簧机模态分析及优化设计

0 引言

    高精度、高品质的弹簧要求在磨削端面时能够保持弹簧的垂直度以及端面与轴线的垂直度，同时要求端面磨削区域不出现烧伤现象。影响弹簧端面磨削质量的因素有很多，磨簧机结构的动态特性是机床重要质量指标之一，它直接影响着机床对弹簧的磨削精度和切削效率以及可靠性，同时对机床在加工过程中发生的颤振的强弱、持续时间和频率范围都将产生影响。湖南大学赵小青等应用ANSYS软件对高速平面磨床进行了整机模态分析，识别了磨床结构的薄弱环节，并进行了相关的试验验证，其采用实验手段与有限元分析结合的方法，两者的互补使分析结果更精确。东南大学和无锡机床股份有限公司对内圆圆磨床M2120A床身结构进行了有限元分析，得到了床身前几阶的固有频率和振型，并分析了床身的内部筋板布置对结构动态特性的影响。

    结合四磨头磨簧机的设计，并通过前期的静态分析，本研究对磨床结构进行动态分析，包括对磨簧机原始结构及其改进结构进行态分析；在远离振源频率的前提下，通过提高大件的固有频率以改善整机的动态特性，从而减小磨簧机加工过程中的变形。

1 整机原始结构模态分析

    机床结构的动力学建模是对机床进行动力分析和动态设计的基础。机构的动态特性主要由少数一些低阶模态决定，因此计算低阶的固有频率就足够了。只要应用这些模态及其振型就可以精确地表达机床的动态特性。因此，本研究在对整机或者部件进行动态分析时，根据需要只分析计算前6阶的固有频率及其动态特性。

    磨簧机在工作过程中受到多种激振频率的影响，其中以切削系统电机和工作台旋转电机的影响最为明显。磨簧机工作过程中磨头电机的最高转速为1390r/min，电机引起的受迫振动频率为f=n/60=23.17Hz。电机在使用过程中，由于转子绕组不对称，使得定子和转子主磁力波相互作用的径向分量引起振动。所以，考虑磁拉力的影响，磨簧机的固有频率要超过电机频率的1.5倍。

    1.1 建立有限元模型

    磨簧机外形尺寸为2500mm×1750mm×2000mm，主要部件床身、工作台材料为Q235，修磨器、切削系统为HT200+40Cr。磨簧机在工作的过程中，工作状态比较复杂，受多方面因素的影响，在进行有限元分析时，为简化计算，本研究进行如下假设：①认定磨床材料是各向同性材料，密度均匀分布，在工作过程中始终处于弹性阶段；②假定位移和变形都是微小的。

    磨簧机的切削系统和工作台回转系统由于内部结构复杂、零部件繁多等问题，将做一些简化：主轴上的锁紧螺母、中间隔套、电机定子等简化成集中质量均不在相应轴段、轴承简化为刚体套筒分布在轴承安装的轴段部位、丝杠简化为等质量的光杆等。本研究先通过三维建模软件建立整机简化模型，再导入ANSYS Workbench有限元分析软件中，然后采用软件中的solid186三维实体单元对磨簧机结构进行网格划分。进行网格划分时，笔者合理选择整体单元尺寸，同时，对磨簧机的不同部件采用不同的划分尺寸单独划分，以提高分析精度。最后得到的磨簧机整体结构的有限元模型如图1所示，其中包括362989个节点，179324个单元。