高精度数控万能工具磨床的优化设计.pdf

1、精密制造与自动化2 0 1 7 年第1 期l o 设计与开发3 0高精度数控万能工具磨床的优化设计刘保朝(陕西工业职业技术学院陕西咸阳7 1 2 0 0 0)摘要通过对万能工具磨床主轴系统的方案设计和有限元分析，达到优化设计目的，提高了主轴的静态刚度和动态性能，保障工具磨床的刃磨质量和磨削能力。同时，对迸给系统进行了数控化设计，确定了伺服电机和驱动器，实现精确的位置跟踪与定位。关键词万能工具磨床主轴系统进给系统优化设计现代制造业中，机械加工刀具的制造和修磨需要满足复杂性、快速、高精度、低费用。万能工具磨床用于制造和修磨包括硬质合金在内的各种通用金属切削刀具以及外圆和平面，解决一般工具磨床难以解

2、决的复杂磨削问题比。，适用于各种规模的机械制造厂、工具车间、模具车间、科研部门以及需要一机多用的场合。随着机械加工中金刚石刀具被广泛应用于精密与超精密加工。万能工具磨床刃磨高硬度、高耐磨性金刚石刀具时，刃口和表面粗糙度质量不高，钝圆半径和刀尖圆弧度国内普遍在1 0 0n m 以上，与国外技术水平有较大差距。，因此需要对万能工具磨床进行优化设计。1主轴系统结构优化设计优化设计主轴系统如图1 所示，主轴支撑采用P 4 精度的F A G 7 0 0 8 C 角接触球轴承，背对背安装、两端固定方式，脂润滑。霉目L 拉f|离臼耀一兽悠I 隘rr r、I 善莹，抖I 秘J jF 女喇I，q 口 j燕澎德躺

3、1 E lj 迹露隰图1 主轴结构设计示意图主轴前段采用毡圈式密封，主轴后端采用轴向迷宫式密封，内外圈的预紧螺母对轴承预紧和密封。对机床主轴模型进行静态、模态有限元分析H 3，校核应力、应变是否符合要求，对主轴刚度薄弱部分进行优化设计。2 主轴系统有限元仿真分析主轴系统静态变形(静刚度不足)在低速时易导致轴承寿命降低，产生切削颤振；动态性能直接决定工具磨床的刃磨质量和磨削能力。对主轴系统进行三维有限元建模，根据磨削力实验数据及轴承参数，利用有限元软件A N S Y S 进行动静态性能分析。主轴系统的建模：每个轴承组模型由四个均布径向弹簧和两个轴向弹簧组成，固定弹簧的一端，且考虑轴承的阻尼，并对

4、次要因素采取了简化措施，以提高效率。2 1 主轴轴向变形分析和优化设计轴承的轴向刚度影响一阶固有频率，对主轴系统的动态特性起决定性作用。通过有限元受力分析，在最低临界转速(对应一阶固有频率)时主轴的挠度将达到最大值，产生强烈振动，甚者导致断裂。如果主轴轴向固定，实际临界转速下降较大，用轴向布置的弹簧单元模拟轴向刚度，可以更精确地模拟主轴系统。2 2 主轴径向变形分析和优化设计主轴径向变形影响到轴系回转精度。有限元受力分析及实验表明：对轴大端面附加径向额定载荷万方数据刘保朝高精度数控万能工具磨床的优化设计后，主轴沿径向呈现整体弯曲变形的趋势，最大变形在轴的大端面，最小值在后端面，两个拐点分别出现

5、在前后两个轴承附近。前端轴承变形量约为后端轴承变形量的两倍。依据H e r t z 接触理论可知，若两个轴承串联时，其主轴系统的轴向刚度提高约5 8，径向刚度提高1 0 0。因此在主轴前端采用双轴承背对背组合的优化设计方案。另外主轴和砂轮采用适当的连接件减小应力集中，能较好地减小变形。2 3 轴承预紧优化设计高精度角接触轴承摩擦因数低、能承受轴向和径向的联合载荷，通过增加轴承预紧力可以提高轴承和主轴系统的径向和轴向刚度，改善其动态性能。但是随着预紧力继续增加，刚度增大效果会变差，导致轴承旋转时温升提高及径向跳动增大。因此应当控制预紧力大小，预紧按照式(1)计算1 并结合经验确定。尼o m a

6、x(1 7 弓1 t a n 口+0 5 F 口1 1 7 吃t a n 口一0。5 圪)(1)式中，尼。为轴承施加的预紧力，m 戗表示选取公式中括弧内两项的较大值，耳，为承受较轻载荷轴承的径向载荷，最为承受较重载荷轴承的径向载荷，兄为轴承所受轴向载荷。3 进给系统优化设计机床进给系统采用数控伺服技术，能实现精确的位置跟踪与定位，避免普通工具磨床在传动系统皮带传动或齿轮传动的误差。采用伺服电机、联轴器、滚珠丝杠来传递动力，最大限度地减少了传动误差，提高了传动精度。用户要求工具磨床的工作台与后滑板的进给及头架的旋转分度均为数控伺服系统。数控系统选择西门子“S I N U M E R I K 8 0 2 Db a s el i n e+S I M O D R I V E 6 1 I U”。单一的某个坐标方向的伺服系统的工作原理如图2 所示。蝴回n 丘碍鬻_ I 让!兰刿jl 一一一一一一一j 喱生一一一一一一一图2伺服系统的工作原理图伺服电动机及伺服放大器的选择：伺服电机是伺服系统的执行元件，其选择是否合适十分关键，要从以下几个方面考虑：伺服电动机的额定扭矩。：最大切削负载转矩乃的计算n2