葉片五軸加工中心的A軸有限元分析

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1 有限元模型的建立

使用SolidWorks軟件建立無負載工況下的A軸三維模型，包括電機內部定子、轉子、軸承以及A軸箱體等形狀復雜結構。對模型進行簡化處理，去除倒角、圓角以及圓孔等特征[20]，將復雜面簡化為更加平滑的表面，減少倒角以及圓孔等結構特征，將軸承簡化成圓環(huán)結構。將簡化后的A軸三維模型導入ANSYS軟件中，并設置材料，A軸箱體作為支撐內部零件的關鍵部件，一般采用HT300、QT600、40Cr，軸芯材料為40Cr，其余材料為45號鋼。然后，進行網格劃分，采用自動網格劃分方式，生成網格數量為770821，節(jié)點數為1261567。劃分網格后的A軸模型如圖3所示。

通過ANSYS對簡化后的結構進行網格劃分后，需對網格質量進行評價。網格質量評價是評估網格劃分是否滿足需求的重要環(huán)節(jié)，網格劃分參數及評價標準如表2所示。

表2 網格質量參數及評價標準

Tab.2 Mesh quality parameters and evaluation criteria

評價類別	均值	標準	結論
單元質量	0.75977	大于0.3	滿足需求
雅可比系數	3.22	不大于40	滿足需求
單元扭曲度	0.06	小于0.5	滿足需求
縱橫比	2.163 9	小于20	滿足需求

2 A軸熱-結構耦合分析

2.1 穩(wěn)態(tài)時A軸熱特性仿真

[圖3 A軸有限元簡化模型]

Fig.3 Finite element simplified model of A-axis

通過圖4可以看出：A軸處于穩(wěn)態(tài)狀態(tài)時，其溫度最高點為轉子中心部位，雖然定子的發(fā)熱量更大（占總發(fā)熱量的2/3），但它與冷卻水套直接接觸，熱量大部分被冷卻水帶走，所以溫度略低于轉子。從圖4可以看出：溫度由外到內呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，這是因為定子內部與轉子接觸，會吸收一部分轉子的熱量。通過圖5可以看出：A軸處于穩(wěn)態(tài)狀態(tài)時，形變最大位置為A軸后端，這是因為前端軸承固定，A軸軸芯形變主要發(fā)生在未固定的一端。

同時，通過改變A軸箱體的材料來觀察溫度分布與形變量的變化。當A軸箱體材料不同時，系統(tǒng)的熱穩(wěn)態(tài)云圖和形變云圖也不相同。當A軸箱體材料為40Cr時，箱體受熱發(fā)生形變更小。因此，A軸箱體材料更適合使用40Cr。

2.2 瞬態(tài)時A軸熱特性仿真

通過瞬態(tài)仿真分析可有效模擬A軸溫升與機床運轉時間之間的關系。設置瞬態(tài)仿真分析時間為3600s，時間步長為150s，共包含24個時間子步，模擬力矩電機從常溫啟動到達到熱穩(wěn)態(tài)的完整工作過程。在進行熱-結構耦合之前，需對軸芯各時刻的溫度進行仿真分析。圖6所示為A軸在1h內的溫度隨時間變化曲線。

[圖6 A軸各部件溫度隨時間變化曲線]

Fig.6 The temperature of A-axis components changes over time

從圖6可以看出：電機定子的最大溫度逐漸上升，從22℃上升至25.9℃，1500s后達到穩(wěn)定狀態(tài)，最大溫度保持在26℃左右；軸芯與A軸箱體的溫度也逐漸升高，在2000s后達到24.2℃左右，隨后保持不變。

改變冷卻液流量，觀察系統(tǒng)形變量的變化。設置初始流量為10L/min，系統(tǒng)強迫換熱系數分別為50%、75%、100%、125%、150%，根據式(9)和雷諾數Re計算公式可以推導出，冷卻液流量分別為4、7、10、13、16L/min。系統(tǒng)最大溫度與不同部位形變量曲線如圖7所示。可以看出：系統(tǒng)最大溫度和軸芯、A軸箱體形變量隨著冷卻液流量增大而減小，當冷卻液流量達到13L/min時，軸芯與A軸箱體的形變量隨著冷卻液流量增大基本保持不變。可見，當冷卻液流量為13L/min時，A軸的熱穩(wěn)態(tài)最佳，觀察溫度變化可知此時溫升在4℃以內。