高速立式加工中心滚珠丝杠螺母副动态特性分析.pdf

2015年4月
机械设计与制造工程
Apr.2015
第44卷第4期
Machine Design and Manufacturing Engineering
DOI:10.3969/f.isn.2095-509X.2015.04.008
高速立式加工中心滚珠丝杠螺母副动态特性分析
桂翔,汪永明
(安徽工业大学机械工程学院,安徽马鞍山243032)
摘要:为了研究高速立式加エ中心的动态特性,对其进给系统进行模态分析和谐响应分析十分必
要。根据高速立式加エ中心的设计要求,基于 Solid Works软件建立滚珠丝杠螺母副的三维模型
并进行相应的简化处理,采用 Hypermesh软件进行网格划分,并导入 ANSYS软件中建立相应的有
限元分析模型。针对滚珠丝杠螺母副的不同支撑方式和螺母所处丝杠位置,对其固有振动特性
进行了模态分析,结果表明,两端固定支撑方式比其他支撑方式有更大的刚度。对滚珠丝杠进行
了正弦载荷激励下的诸响应分析,找出了丝杠谐响应振幅最大时的频率,指出在实际工作状况中
应尽量避免此频率下的动载荷。
关键词:高速立式加エ中心;滚珠丝杠螺母副;有限元模型;模态分析;谐响应分析
中图分类号:TH122
文献标志码:A文章编号:2095-509X(2015)04-0031-04
现代数控机床正向着高速化、高精度化、复1滚珠丝杠螺母副的有限元建模
合化和环保化方向飞速发展,这对高速立式加
有限元计算的准确性取决于正确有效的有限
工中心的进给系统提出了越来越高的要求。国内
模型的建立?。根据高速立式加工中心的设计
外学者对滚珠丝杠副的动态特性做了许多研究,要求,按照常规滚珠丝杠副的选型方法,针对X方
如宁怀明等2运用有限元分析软件对丝杠进行了向进给系统的滚珠丝杠螺母副进行选型设计,采用
模态分析,硏究了无阻尼自由振动时的丝杠,得台湾TBI的SFS型高速静音滚珠丝杠,型号为
到了系统的固有频率和振型;谢黎明等考虑轴SFS02020-2.8,丝杠公称直径为20mm,导程为
承结合部对丝杠动态特性的影响,对丝杠进行了20mm,螺纹升角为18°42',丝杠长度为1238mm,
模态分析和谐响应分析,验证了丝杠在有效转速滚珠圈数为2.8×1,滚珠直径为3.175mm,滚道直
范围内不会发生共振,得出了谐响应振幅最大时径为5mm,最大转速为300o/min。为了验证选型
的频率;侯秉怿等以超精密滚珠丝杠进给系统的正确性,需对其进行动态特性分析
试验台为研究对象,提出了一种新的进给系统有
首先,采用 Solidworks2011软件对设计的滚珠
限元模型,对其工作台进行了谐响应分析;安琦丝杠螺母副进行三维实体建模,并对三维实体模型
瑜等针对某数控龙门鏜铣床滚珠丝杠进给系进行以下简化和特别处理:
统,探讨了有限元模型中结合面的建模方法,并
a.去除键、圆角和安装其他装置的螺纹。
进行了动态特性分析。以上文献的研究均未能全
b.省去丝杠外螺纹滚道、螺母内螺纹滚道和
面考虑滚珠丝杠螺母副的支撑方式及运动状态等滚珠,用弹簧单元 Combinel4代替”?,在这里取两
因素。本文以某型号高速立式加工中心为研究对列,一列四组弹簧布置,如图1所示。
象,通过对高速立式加工中心滚珠丝杠螺母副的
将建好的三维模型保存为x_t格式导人H
不同支撑方式和螺母运动状态分别进行有限元模 permesh1.0软件,定义其单元类型为 Solid185,选
态分析,并对两端固定支撑方式下的多种螺母运定的材料属性为是轴承钢,型号为 Gcrl5,弹性模
动状态进行轴向正弦载荷激励下的谐响应分析,量E=2.19x10"N/m2,泊松比=0.3,密度p=
为今后的设计提供理论依据。
7.83×x10°kg/m3。弹簧单元类型为 Combine14,根
收稿日期:2015-03-3
基金项目:2014年安徽工业大学研究生创新研究基金资助项目(2014047)
作者简介:桂翔(1991-),男,安徴芜湖人,安徽工业大学硕士研究生,主要研究方向为现代机械设计理论与方法。
?31?
2015年第44卷
机械设计与制造工程
据文献[8]计算得出其弹性刚度为6.1x10N/m。
ANSYS
NODAL, SOLUTION
采用六面体网格划分,导出格式为.cdb,用AN
11:41:20
SYS14.5软件读取并进行相应的分析处理,得到有
8T.569
限元模型如图2所示。
LMX=。8B7216
螺母
弹贅单元
丝杠
19715
09858
2957:343192:99119070683216
图1丝杠与螺母间等效弹簧布置
图4第6阶振型图
表1螺母运动到最左側时的前6阶模态
阶数频率/Hl
振型特点
241E-4
0.2980
∥方向轴向振动
X方向挠曲振动
图2滚珠丝杠螺母副的局部有限元模型
74.5370
Y方向挠曲振动
187.5600
X方向二次挠曲振动
2滚珠丝杠螺母副的模态分析
187,5700
Y方向二次挠曲振动
为了研究高速立式加工中心的动态特性,针对
其不同支撑方式和螺处于不同丝杠位置的固有
由表1可知:(1)第1阶、第2阶频率几乎为
振动特性进行模态分析。滚珠丝杠螺母副的支撑零,为刚体模态,可不考虑;(2)第3,4阶及第5,6
方式主要有:两端固定、一端固定一端支撙和一端阶固有频率很接近,振型状态近似于正交,这是因
固定一端自由3种。前两种刚度较大,考虑到高速为模型的结构和约束都是对称的,相当于数学上的
立式加工中心的设计要求,仅分析前两种支撑方式矩阵中一个特征值对应两个不同的特征向量;(3)
下的模态。
根据转速n和频率f的关系(m=60),计算丝杠在
2.1两端固定支撑方式下的模态分析
刚体模态后的前两阶频率下的临界转速为4472
2.1.1螺母运动到最左侧时的模态分析
r/min,明显大于所选丝杠的最大转速3000r/min,
将 Hypermesh刘分好的网格以.cb格式导人因此丝杠在有效转速范围内不会发生共振
NSYS中,选择两端与支撑轴承接触节点,施加2.1.2螺母运动到中间时的模态分析
A
X,Y和Z3个方向全约東,有限元模态分析的第5
与螺母运动到最左侧时的操作相同,螺母运
阶和第6阶时的振型图如图3、图4所示,前6阶模动到中间时的前6阶模态见表2。
态见表1。
表2螺母运动到中间时的前6阶模态
ANSYS
NODAL SOLUTON
阶数频率/Hlz
振型特点
STEP I
DEC3020?4
EQ=187.562
(AVG)
RSYS=0
0.2979
Z方向轴向振动
DMX=.887181
65.3140
K方向挠曲振动
65.3180
Y方向挠曲振动
215.3100
Y方向二次挠曲振动
215.3500
X方向二次挠曲振动
C98576?295727492878、69003、887ュ81
由表2可知:(1)因为第1阶频