CN111666701A - 一种基于磨床系统振动模态分析的氮化硅陶瓷球超精密研磨设计方法 - Google Patents

Abstract

一种基于磨床系统振动模态分析的氮化硅陶瓷球超精密研磨设计方法，属于超精密加工领域。首先，建立磨床整体的有限元模型。其次，对磨床系统振动模态进行分析。最后，结合磨床系统的模态分析结果，优化设计研磨参数。本发明基于磨床系统的振动模态分析，得出模态频率，选择磨床电机转速，避开相应频率以及频率的倍数，避免共振发生，从而大幅度提高氮化硅陶瓷球的研磨精度，保证批量生产的氮化硅陶瓷球精度达到P2级。本发明能够避免人力、物力等过度消耗，节约成本，效率高，重复性好，经济实用。

Description

一种基于磨床系统振动模态分析的氮化硅陶瓷球超精密研磨 设计方法

技术领域

本发明属于超精密加工领域，涉及一种基于磨床系统振动模态分析的氮化硅陶瓷球超精密研磨设计方法。

背景技术

轴承是一切旋转机械的灵魂，俗称为机械工业的“芯片”。没有高端轴承就没有尖端装备与精密仪器。我国高端轴承长期依赖进口，如：航空发动机轴承、精密机床轴承、高铁轴承、核电轴承，特别是尖端武器装备上的高端轴承。这些战略性关键核心零部件的受制于人，严重影响了我国尖端装备研发。

氮化硅(Si3N4)材料属于高强度人工晶体，俗称“陶瓷王”，具有密度小、硬度高、耐高温、耐腐蚀、电绝缘、不导磁、抗压强度高、自润滑性能好等诸多特点。以氮化硅球作为滚动体、以合金钢为套圈制成的混合陶瓷轴承，最充分利用了氮化硅材料抗压强度高、合金钢抗弯强度高、韧性好等优点，与普通钢球轴承相比，具有重量轻、极限转速高、摩擦力矩小、运转精度好、使用寿命长等一系列优点。氮化硅陶瓷球轴承是目前世界上研究最热门、性能最优异、应用最广泛的高端陶瓷轴承。氮化硅陶瓷球轴承几乎就是陶瓷轴承的代名词。

要制造出超精密高端氮化硅陶瓷球轴承，首要任务是制造出超精密氮化硅陶瓷球。目前公开报道的氮化硅陶瓷球研磨理论都是基于刚体单球运动假设，研究磨球的匀速刚体运动。主要研究“刚体”磨球的三种运动：(1)磨球在研磨接触面上的滚动，又称“滚转”；(2)磨球绕接触点公法线的自旋运动，又称“枢转”；(3)磨球在研磨圆盘的圆周方向的公转运动，该运动对球的研磨基本没有作用，主要起到控制磨球在磨床中的排布作用。磨球的前两种转动，特别是“枢转”的自旋运动磨削作用最大，“滚转”磨削作用较小。然而实践反复证明基于这种理想化的研磨理论，很难达到氮化硅陶瓷球的高精度研磨。

若假设磨床和磨球均为理想刚体、接触面无宏观滑动、磨球为独立单体接触，理论上通过控制研磨迹线分布可以达到磨球表面磨削等概率。但是由于氮化硅陶瓷球表面能低，并且本身具有自润滑作用，在精密研磨时接触点的宏观滑动很难避免。尤其是大规模研磨生产时，氮化硅陶瓷球之间相互接触形成了弹性多体接触的复杂运动，经典的刚体单球研磨分析理论无法适用。正是因为这一点，氮化硅陶瓷球超精密研磨必须在研磨理论上需要有所突破。基于以上论述，本发明提出了一种基于磨床系统振动模态分析的氮化硅陶瓷球超精密研磨设计方法，通过选择磨床电机转速，避免共振的发生，从而大幅度提高氮化硅陶瓷球的研磨精度，保证批量生产氮化硅陶瓷球精度达到P2级。

发明内容

针对目前存在的问题，本发明提供了一种基于磨床系统振动模态分析的氮化硅陶瓷球超精密研磨设计方法，基于磨床系统的振动模态分析，得出模态频率，选择磨床电机转速，避开相应频率以及频率的倍数，避免共振发生，从而大幅度提高氮化硅陶瓷球的研磨精度，保证批量生产的氮化硅陶瓷球精度达到P2级。该发明通过磨床系统振动模态分析进行设计，成本低，效率高，重复性好，经济实用。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于磨床系统振动模态分析的氮化硅陶瓷球超精密研磨设计方法，基于磨床系统的振动模态分析得出模态频率，选择磨床电机转速，避开相应频率以及频率的倍数，避免共振发生。步骤为：

第一步，建立磨床整体的有限元模型。

(1)立式磨球机主要部件包括上、下研磨板，用来控制上下研磨板之间间隙的压杆，两研磨板之间适量的陶瓷球，还有横梁、柱、托盘、底座托板、底座、电机、变速箱、电源开关、电箱、变频器等零部件。

采用Solidworks建立几何模型，并对模型进行简化：去掉磨球机上的电源开关、电箱、变频器零件；将柱和压杆之间的螺栓连接去掉，用绑定来代替螺栓连接；将底座箱中的电机、变速箱合并为一个零件，并通过简化后的该零件连接底盘托板。

利用Solidworks分别对每个零件进行建模，然后自下而上进行装配，并对各零件之间进行约束。上、下研磨板之间进行同心装配，互相接触的零件之间，接触面进行重合装配，再加入一定数量的球，并将球与上下研磨板之间进行相切装配，即每个球与研磨板之间存在四对相切关系。

(2)选择Hypermesh进行网格划分，选用四面体网格，确定网格尺寸。首先，将Solidworks中创建的几何模型存为step格式，导入Hypermesh，利用tetramesh进行四面体网格划分，对每个零件分别进行make current，防止所有网格信息单独输出，以至于无法导出实体；然后，设定网格大小，并进行自动划分；最后，设定单元类型为solid45，导出一个cdb格式的文件，方便之后应用于ANSYS中。

(3)采用的模型是通过Hypermesh划分过网格的磨球机模型。将输出的cdb文件导入ANSYS经典界面，防止所导出的cdb文件信息缺失，再通过ANSYS经典界面输出一个完整且正式的cdb文件。将该cdb文件导入ANSYS Workbench的FE Modeler中。再进行材料属性的赋予、零件间接触的设定以及约束的设定。Workbench中自有的材料为结构钢，设定其余所需材料的相应属性，并赋予给相应的零件，对磨球机进行模态分析，所需的参数仅有弹性模量、泊松比和密度，因此只需添加这三个参数。

Workbench中自动对相互接触的两个零件之间建立绑定接触，且不允许两个零件之间有法向和径向的相对运动；这对大部分零件之间的接触来说是合理的，但也有一些是不符合实际的接触情况的，本文对这些不符合实际的绑定接触进行了改动并对相应的部位进行了合理的约束，具体操作如下：

(1)去掉底盘托板与托盘之间的绑定约束；

(2)滚珠与上、下研磨板之间的绑定约束更改为No separation，设定为Noseparation后不允许接触面之间有法向位移但允许有一定的径向移动；

(3)删掉上、下研磨板之间、以及两两滚珠之间由于距离过小而产生的绑定接触；

(4)对底座底面进行全约束固定。

第二步，磨床系统振动模态分析。

选择能够自动建立绑定约束的workbench进行求解。将设定好各参数的有限元模型更新后提交，求解前50阶模态以及所对应的频率和变形情况。在对磨球机的模态分析中，所提取出的前六阶模态均为整体模态，且在这六阶模态中，上、下研磨板及滚珠之间振型沿Y方向分量一致，磨球机处在这些频率时，上、下研磨板与滚珠之间不会出现由振动而引起的相对分离进而影响滚珠的精度。

第三步，结合磨床系统的模态分析结果，优化设计研磨参数

通过分析磨床的模态分析结果，确定磨床电机转速需要避开上、下研磨板及滚珠的振型存在Y方向振型分量不一致的模态情况对应的频率。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本方法基于磨床系统的振动模态分析，得出模态频率，为了防止共振发生，选择磨床电机转速时避开相应频率，不需要大量的试验来确定磨床的电机转速，避免了人力、物力等过度消耗，节约了成本，效率高，重复性好，经济实用。

附图说明

图1为基于磨床系统振动模态分析的氮化硅陶瓷球超精密研磨设计方法的流程图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明做进一步说明。

第一步，建立磨床整体的有限元模型。

(1)以立式磨球机为例，主要部件包括：上、下研磨板，这是用来研磨陶瓷球的最主要的部件；压杆，用来控制两研磨板之间的间隙，还有横梁、柱、托盘、底座托板、底座、电机、变速箱、电源开关、电箱、变频器等零部件。还有两研磨板之间适量的陶瓷球。采用Solidworks进行几何模型的建立。考虑计算模型必须具有足够的准确性且计算模型要具有良好的经济性，对模型进行一定的简化。去掉磨球机上的电源开关、电箱、变频器等零件，因为这三个零件质量占比不大，并且在机械工作时，与主要运动部件之间无明显的运动上的联系。将柱和压杆之间的螺栓连接取消掉，用绑定来代替螺栓连接。将底座箱中的电机、变速箱合并为一个零件，并通过简化后的该零件连接底盘托板。根据几何关系，球的直径为24mm，选取沟槽为30mm，上下研磨板的间隙为3.9411mm。利用Solidworks分别对每个零件进行建模，然后自下而上进行装配，并对各零件之间进行约束。上、下研磨板之间进行同心装配，互相接触的零件之间，接触面进行重合装配，再加入一定数量的球，并将球与上下研磨板之间进行相切装配，即每个球与研磨板之间存在四对相切关系。

(2)选择Hypermesh进行网格划分，选用四面体网格。对于磨球机来说，最关键的部位是上、下两个研磨板，故它的网格尺寸应相对精确一些；压杆最上部存在一个尺寸较小的圆环手柄，网格尺寸较大时会出现模型缺失的问题，故压杆网格尺寸也要相对小一些；球的尺寸很小，如果网格尺寸大了，表面会变的不连续，形成有明显棱角的多面体，故网格应精细；又为了防止计算速度过慢，一些非重要部件将选择相对大一些的网格尺寸。所以，最后所采用的网格尺寸是：上、下研磨板和压杆的四面体网格尺寸为15mm，球的四面体网格尺寸为2mm，其余较大部件的四面体网格尺寸为30mm。将Solidworks中所创建的几何模型存为step格式，方便导入Hypermesh，利用tetramesh进行四面体网格划分，对每个零件分别进行make current，防止所有网格信息单独输出，以至于无法导出实体，然后设定网格大小，并进行自动划分，得到的总网格数量为：330923，其中，所有球的网格数量为：113123，上研磨板的网格数量为：59257，下研磨板的网格数量为：84917，最后设定单元类型为solid45，导出一个cdb格式的文件，方便之后应用于ANSYS中。

(3)采用的模型是通过Hypermesh划分过网格的磨球机模型，先将输出的cdb文件导入ANSYS经典界面，防止所导出的cdb文件信息缺失，再通过ANSYS经典界面输出一个完整且正式的cdb文件，将该cdb文件导入ANSYS Workbench的FE Modeler中，再进行材料属性的赋予、零件间接触的设定以及约束的设定。Workbench中自有的材料为结构钢，设定其余所需材料的相应属性，并赋予给相应的零件，对磨球机进行模态分析，所需的参数仅有弹性模量、泊松比和密度，因此只需添加这三个参数。

Workbench中自动对相互接触的两个零件之间建立绑定接触(不允许两个零件之间有法向和径向的相对运动)，这对大部分零件之间的接触来说是合理的，但也有一些是不符合实际的接触情况的，本文对这些不符合实际的绑定接触进行了改动并对相应的部位进行了合理的约束，具体操作如下：

(1)去掉底盘托板与托盘之间的绑定约束；

(2)滚珠与上、下研磨板之间的绑定约束更改为No separation(设定为Noseparation后不允许接触面之间有法向位移但允许有一定的径向移动)；

(3)删掉上、下研磨板之间、以及两两滚珠之间由于距离过小而产生的绑定接触；

(4)对底座底面进行全约束固定。

第二步，磨床系统振动模态分析。

选择能够自动建立绑定约束的workbench进行求解。将设定好各参数的有限元模型更新后提交，求解前50阶模态以及所对应的频率和变形情况。在对磨球机的模态分析中，所提取出的前六阶模态均为整体模态，且在这六阶模态中，上、下研磨板及滚珠之间振型沿Y方向分量一致，磨球机处在这些频率时，上、下研磨板与滚珠之间不会出现由振动而引起的相对分离进而影响滚珠的精度。在进一步对磨球机的其他模态(大于六阶的模态)进行分析时，发现在某些阶的模态下，上、下研磨板及滚珠的振型存在Y方向振型分量不一致的模态情况，取该种情况的前六阶模态进行了分析。该情况的前六阶模态阶次频率分别为：第38阶次(892.69Hz)、第41阶次(974.38Hz)、第42阶次(1008.9Hz)、第44阶次(1037.9Hz)、第48阶次(1220.5Hz)和第49阶次(1246.8Hz)。

第三步，结合磨床系统的模态分析结果，优化设计研磨参数

通过分析磨床的模态分析结果，确定磨床电机转速需要避开上、下研磨板及滚珠的振型存在Y方向振型分量不一致的模态情况对应的频率。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于磨床系统振动模态分析的氮化硅陶瓷球超精密研磨设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，建立磨床整体的有限元模型；

(1)立式磨球机主要部件包括上、下研磨板，用来控制上下研磨板之间间隙的压杆，两研磨板之间适量的陶瓷球，还有横梁、柱、托盘、底座托板、底座、电机、变速箱、电源开关、电箱、变频器零部件；

采用Solidworks建立几何模型，并对模型进行简化：去掉磨球机上的电源开关、电箱、变频器零件；将柱和压杆之间的螺栓连接去掉，用绑定来代替螺栓连接；将底座箱中的电机、变速箱合并为一个零件，并通过简化后的该零件连接底盘托板；

利用Solidworks分别对每个零件进行建模，然后自下而上进行装配，并对各零件之间进行约束；上、下研磨板之间进行同心装配，互相接触的零件之间，接触面进行重合装配，再加入一定数量的球，并将球与上下研磨板之间进行相切装配，即每个球与研磨板之间存在四对相切关系；

(2)选择Hypermesh进行网格划分，选用四面体网格，确定网格尺寸；首先，将Solidworks中创建的几何模型存为step格式，导入Hypermesh，利用tetramesh进行四面体网格划分，对每个零件分别进行make current，防止所有网格信息单独输出，以至于无法导出实体；然后，设定网格大小，并进行自动划分；最后，设定单元类型为solid45，导出一个cdb格式的文件，方便之后应用于ANSYS中；

(3)采用的模型是通过Hypermesh划分过网格的磨球机模型；将输出的cdb文件导入ANSYS经典界面，防止所导出的cdb文件信息缺失，再通过ANSYS经典界面输出一个完整且正式的cdb文件；将该cdb文件导入ANSYS Workbench的FE Modeler中；再进行材料属性的赋予、零件间接触的设定以及约束的设定；Workbench中自有的材料为结构钢，设定其余所需材料的相应属性，并赋予给相应的零件，对磨球机进行模态分析，所需的参数仅有弹性模量、泊松比和密度，因此只需添加这三个参数；

Workbench中自动对相互接触的两个零件之间建立绑定接触，且不允许两个零件之间有法向和径向的相对运动；对不符合实际的绑定接触进行改动并对相应的部位进行合理的约束，具体操作如下：

(1)去掉底盘托板与托盘之间的绑定约束；

(2)滚珠与上、下研磨板之间的绑定约束更改为No separation，设定为No separation后不允许接触面之间有法向位移但允许有一定的径向移动；

(3)删掉上、下研磨板之间、以及两两滚珠之间由于距离过小而产生的绑定接触；

(4)对底座底面进行全约束固定；

第二步，磨床系统振动模态分析；

选择能够自动建立绑定约束的workbench进行求解；将设定好各参数的有限元模型更新后提交，求解前50阶模态以及所对应的频率和变形情况；在对磨球机的模态分析中，所提取出的前六阶模态均为整体模态，且在这六阶模态中，上、下研磨板及滚珠之间振型沿Y方向分量一致，磨球机处在这些频率时，上、下研磨板与滚珠之间不会出现由振动而引起的相对分离进而影响滚珠的精度；

第三步，结合磨床系统的模态分析结果，优化设计研磨参数

通过分析磨床的模态分析结果，确定磨床电机转速需要避开上、下研磨板及滚珠的振型存在Y方向振型分量不一致的模态情况对应的频率。

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