工件偏载情况对双柱立车的影响分析
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摘 要：该文通过有限元分析及其理论计算2个方向对双柱立车工件偏载现象，对加工精度和使用寿命的影响进行了分析，对采用有限元分析方法解决实际问题的思路进行了剖析，对主轴系统受力状态进行了分析，指出了影响加工精度和机床使用寿命的关键参数，并从设计人员和使用人员的角度对偏载情况的注意事项进行了阐述，对于机床设计与维护具有一定的参考意义。
关键词：双柱立车;工件偏心;加工精度;有限元分析
中图分类号：TG515 文献标志码：A
1 问题的提出
该公司某型号数控双柱立车产品，在用户现场运行状态良好，加工圆柱及圆筒零件各项指标均符合检验要求。客户提出反馈，预加工重心不在几何中心的异形零件，或者圆柱形零件夹持过程中存在偏心的现象，是否依然能满足加工需求，探讨了加工精度和机床使用寿命的影响。
2 有限元方法
有限单元法是在当今技术科学发展和工程分析中获得最广泛应用的方法。由于它的通用性和有效性，受到工程技术界的高度重視。随着计算机科学技术的快速发展，现已成为计算机辅助工程和数值仿真的重要组成部分[1]。随着市场竞争的加剧，产品更新周期愈来愈短，企业对新技术的需求更加迫切，而有限元数值模拟技术是提升产品质量、缩短设计周期、提高产品竞争力的一项有效手段，有限元法已经成为解决复杂工程分析计算问题的有效途径，从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算，其在各个领域的广泛使用已使设计水平发生了质的飞跃。
当人们应用有限元法于实际分析时，方便快捷地得到可靠的结果，无疑是共同追求的目标。因此，分析过程的有效性和计算结果的可靠性成为有限元方法的两大核心问题。制订的分析方案好坏直接影响分析的精度和成本，但通常情况下精度和成本是相互冲突，特别是分析较大规模和具有切割边界的模型时更为明显。采用有限元分析方法解决实际问题的关键环节就是有限元模型的建立及其边界条件的处理。这个过程可以认为是一个数学建模的过程。这个过程的关键点在于真实有效地把实际情况模拟出来，并需要考虑结算过程及其数据读取的标准。否则，要么会无法计算出结果，要么计算出的结果不能给解决实际问题提供有效的数据支撑。
该文采用UG NX 7.5软件建模模块进行有限元分析模型的建立，并在高级仿真模块进行有限元分析。由于工作台大件结构和装配关系都很复杂，采用UG软件从建模到分析一步到位，避免了中间格式的转换，使得前处理过程操作非常方便，对工况的模拟更加真实，且易于修改模型重新计算，尤其适合多工况的分析。
UG软件有限元分析，大致流程如下：首先在建模模块建立分析模型，并进行装配;进入高级仿真模块在.sim文件下设定部件间接触方式，约束方式，载荷以及结算方案的工况管理，在.fem文件环境下设定材料参数并将其指派给模型，划分网格单元，回到.sim文件环境下进行解算，解算完成读取所需数据。
3 有限元分析过程及结果
立式车床工作台是承载加工工件的重要部件，工作台带动工件的回转运动是车削加工的主运动。该机床回转工作台采用静压导轨结构，主轴径向通过双列圆柱滚子轴承定心，通过液压系统控制能够在不同工作重量及其工作转速情况下获得较好的油膜厚度及其端面精度[2]。
针对该问题，考虑工作台受力状态及其现场情况，分析工作台受力状态，计算系统首最大载荷的静力变形及应力情况。建立工件、工作台及主轴系统模型，为了边界条件的处理建立导轨板模型并对其进行固定处理，加载离心力在工件上，设定重力加速度参数。取最高转速100 rpm，设定计算工件重量为最大值50 t，工件偏心距离设定20 mm，分最大加工直径情况下和最大工件高度2种情况计算工件偏载对加工精度的影响。为了模拟工作台受力状态，建立工作台、工件、导轨板的装配模型。最大加工直径有限元分析模型如图1所示，更改工件模型即获得最大加工高度有限元分析模型。
计算结果如图2所示 。
图2和图3为2种状态下的有限元分析结果云图。根据分析结果数据可知，在最大加工直径状态下，偏载20 mm的情况下，工件外沿Z方向变形数值差值0.001 mm;最大工件高度状态下，变形差值0.003 mm。总体来说，偏载20 mm内，静力变形对加工精度影响不大。值得注意的问题是，在计算同种横向对比的方案时，网格划分应采用同样的形式和大小，这样可以使对比状态更加接近真实情况。该文中介绍的内容侧重点在于思路和方法，计算数据可根据具体机床型号的参数有不同的变化。
3 偏载状态下的主轴承受力分析
工作台主轴系统中定心轴承受径向力的影响最大，对于主轴而言，记偏心距离为Δ，以工作台面为零点，设工件高度为h，工作台面至定心轴承中心距离为μ，切削力F，工件离心力为f，轴承厚度b。轴承承受径向最大载荷Fmax。
则：
式中：离心力F=mω2Δ，ω 为工作台转速。
带入数据，即可计算得到离心力和轴承承载具体情况数据。通过计算发现，离心力一般情况下远小于切削力，随着转速的提升，离心力越来越大，使主轴受力状态越来越恶劣。同等工件重量情况下，工件高度越高，离心力偏载力矩对主轴定心轴承影响越大。
4 偏心载荷影响分析
从设计角度来看，在主轴系统设计过程中，定心轴承的选择至关重要。其涉及主轴结构、电机配置、工作台导轨位置以及主轴组件关联尺寸等多方面内容。轴承承受动载荷是选择轴承的决定性参数，如果没有足够的安全系数，偏心质量产生的离心力及其离心力引起的颠覆力矩就会严重影响轴承使用寿命，甚至造成轴承的破损和工作台导轨的研伤。对于加工工件高度跨距幅度很大的机床，应合理限定工件高度超出一定范围的切削用量，以此来控制切削力的急剧上升。
从使用角度来说，如果工件偏心情况是属于操作失误导致的夹持偏心，应当重新找正夹紧后再进行加工。如果工件本身为异形件，客观存在重心位置与几何旋转重心有偏差的现象，应当考虑增加配重的方式，调整工作台承载工件及工装的重心位置至工作台中心。如果无法实现工作台承载的重量质心位置与旋转中心重合，对于固定结构尺寸工作台及主轴结构，可根据计算验证偏心距是否在合理的范围内，来确定加工工序是否可以继续进行。
5 结语
该文首先从有限元分析角度对工作台及其主轴系统承受偏心载荷情况下的静力变形进行了分析，从计算结果来看，偏心载荷对系统的影响不大。然而，通过理论计算，发现在实际情况下，根据工件形状的变化或许会对整个系统造成很大影响。究其原因是由于切削力的客观存在，由于偏心力与切削力对比其实很小，实际对系统影响严重的主要是切削力。只是在不同的状态下，系统预留的刚度储备差距明显，对于工件来说，主要参数在于高度指标，每台机床的最大切削高度状态下是该机床最薄弱的状态，此时，如果再有偏载离心力的影响，很可能对机床主轴定心轴承造成致命的损害，严重影响加工精度和使用寿命，无论是从设计还是从使用角度来说，都应该对此情形下的切削用量进行合理的限制，以避免造成不必要的损失。
参考文献
[1]王勖成.有限单元法[M].北京：清华大学出版社，2003.
[2]戴曙.金属切削机床[M].北京：机械工业出版社，2017.
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