馬 巖，宋明亮，汪茜茜，李 虎，楊春梅，周玉成

(1.東北林業(yè)大學 林業(yè)與木工機械工程技術中心，黑龍江 哈爾濱 150040；2.東北林業(yè)大學 機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040；3.山東建筑大學 信息與電氣工程學院，山東 濟南 250101)

隨著人們生活水平的提高，強化木地板得到了廣泛應用，而強化木地板的加工過程中，木地板開榫是其生產(chǎn)的關鍵環(huán)節(jié)之一，榫槽加工質量直接關系到木地板鋪裝、使用質量以及使用壽命[1-2]。而開榫機的主機結構是影響榫槽加工質量的關鍵結構，通過ANSYS軟件分析了設計中主要結構的性能，并總結分析結果，驗證設計結構的可靠性。強化地板數(shù)控橫向開榫機的主機部分是整個機床最核心的部件，主機的穩(wěn)定性和性能好壞直接影響著整個機床的各項性能，因此對主機結構進行合理的設計與分析十分必要。在強化地板數(shù)控橫向開榫機主機結構中，齊邊鋸主軸在加工過程中受到的切削力最大，其主軸的剛度和強度會直接影響機床的精度。有限元具有較高的計算精度，能對各種復雜的實際情況進行準確計算，從而保證機器的穩(wěn)定性，采用Solidworks2010和ANSYS軟件，建立主軸模型的分析模型，對主軸進行有限元分析，依據(jù)分析結果對主軸模型進行改進和完善，提高結構的合理性[3-6]。

1 強化地板數(shù)控橫向開榫機總體結構

強化地板數(shù)控橫向開榫機主要由前進料輥臺組件、主機、后出料輥臺組件和機架4部分組成(圖1)。其加工運動方式為：工件通過進料輥臺縱向進給，由定位夾緊機構定位夾緊，主機帶動4組刀具進行橫向進給，完成強化地板的端部的橫向齊邊、粗銑、精銑和拋光加工；再通過中間進給輥臺，到達出料輥臺。在總體結構中，機架對主機起支撐和固定作用；前進料輥臺組件和后出料輥臺組件通過螺栓連接固定在機架兩側，實現(xiàn)工件的進料、下料和縱向進給；主機通過步進電機控制齒輪和機架上的齒條嚙合，推動主機在機架軌道上橫向移動，完成強化地板端部的齊邊、粗銑、精銑和拋光的加工。強化地板數(shù)控橫向開榫主機是整機的核心，在強化地板開榫過程中主要完成對強化地板的齊邊、粗銑、精銑和拋光等加工，加工的穩(wěn)定性和加工性能的好壞直接影響到強化地板的加工質量和生產(chǎn)效率[7-10]，開榫機主機結構的設計是整個機床的設計關鍵。

注：1．前進料輥臺組件；2.機架；3.主機；4.后出料輥臺組件。

圖1強化地板數(shù)控橫向開榫機總體結構

Fig.1 Overall structure layout of the laminate flooring panelCNC transverse tenoner

2 強化地板數(shù)控橫向開榫機齊邊鋸主軸靜力學分析

齊邊鋸主軸組件是強化地板數(shù)控橫向開榫機主機的關鍵部件，用來完成強化地板的齊邊加工，其中齊邊鋸主軸組件在加工過程中受力較大。因此，本文運用ANSYS12.0軟件對強化地板數(shù)控橫向開榫機齊邊鋸主軸進行靜力學分析，并依據(jù)分析結果指導齊邊鋸主軸的結構設計，齊邊鋸主軸結構如圖2所示。

本設計中，利用三維設計軟件建立齊邊鋸主軸三維模型，對模型進行簡化處理，在保證計算分析精度的前提下，能夠有效地減小有限元分析計算時間，提高分析效率[11-14]。主鋸軸材料選用45號鋼調(diào)質處理，對應的參數(shù)為彈性模量E=2.09×1011N/m2，泊松比μ=0.269，密度ρ=7.89×103kg/m3，抗拉強度σb=355 MPa，齊邊鋸主軸有限元分析模型如圖3所示。

本設計主鋸軸有限元模型的劃分方法采用自由網(wǎng)格劃分法，能更加真實有效地模擬實際情況，自動化程度較高，無模型尺寸限制，無固定的網(wǎng)格模式，無需將復雜形狀分解為規(guī)則形狀，但自由網(wǎng)格劃分法的不足之處在于，劃分網(wǎng)格單元的尺寸較小、數(shù)量較多，對完成模型分析的耗時較長，計算效率較低[15]。主鋸軸有限元模型網(wǎng)格劃分結果為：節(jié)點個數(shù)為326 651，單元個數(shù)為231 828，網(wǎng)格劃分如圖4所示，能較為真實準確地反映主鋸軸實際情況，提高有限元分析的可靠性。

網(wǎng)格劃分后需對齊邊鋸主軸有限元模型進行邊界約束條件及載荷進行添加，齊邊鋸主軸所受邊界約束條件及載荷如圖5所示。載荷的施加能夠檢測有限元模型對該載荷條件的響應，且施加載荷是否合理對有限元分析結果有直接的影響，對齊邊鋸主軸有限元模型進行載荷施加，由《機械設計》中壓軸力計算可知，在帶輪軸段位置施加壓軸力FR1=180.12N，在帶輪軸段位置施加輸入扭矩T=3.5×103N·mm，在三面刃銑刀軸段位置施加壓軸力FR2=24.03N，在三面刃銑刀軸段位置施加負載扭矩M=3.5×103N·mm。

圖2 齊邊鋸主軸結構

對齊邊鋸主軸有限元模型添加邊界約束條件及載荷后進行求解計算，得到其應力云圖、應變云圖及最大變形云圖，并據(jù)此進行齊邊鋸主軸靜力學分析研究，應力、應變及變形云圖分別如圖6、圖7、圖8所示。

圖3 齊邊鋸主軸有限元分析簡化模型

圖4 齊邊鋸主軸有限元分析模型網(wǎng)格劃分

圖5 齊邊鋸主軸受力簡圖

圖6 齊邊鋸主軸應力云圖

圖6所示齊邊鋸主軸應力云圖反映了齊邊鋸主軸的強度特性。從圖6可以看出，齊邊鋸主軸的最大應力出現(xiàn)在主軸帶輪與主軸套筒的軸段上，最大應力值可達1.962 1 MPa，而主軸使用的材料是45號鋼，由于材料均勻且計算精度較低，選取材料強度安全系數(shù)[S]=2，其屈服強度為σb=355 MPa，因此最大許用應力為：

(1)

經(jīng)計算確定支撐架材料的許用應力值 [σ]=177.5 MPa，齊邊鋸主軸所受的最大應力值為1.962 1 MPa，小于材料的許用應力值177.5 MPa，未超過應力值[σ]。因此齊邊鋸主軸結構的強度設計合理，在強化地板的橫向齊邊加工過程中，可有效避免因齊邊鋸主軸強度不足而造成齊邊鋸主軸總成的損壞，影響正常工作。

圖7 齊邊鋸主軸應變云圖

圖7所示齊邊鋸主軸應變云圖反映了齊邊鋸主軸的剛度特性。從圖7可以看出，齊邊鋸主軸的最大變形處也出現(xiàn)在齊邊鋸主軸帶輪與主軸套筒的軸段上，這與應力云圖完全相符，最大應變值為0.009 34 mm/m，遠遠小于材料的極限撓度值2.39 mm/m。因此，齊邊鋸主軸結構剛度設計同樣合理，在強化地板的橫向齊邊加工過程中不會有剛度不足的情況出現(xiàn)。

圖8 主鋸軸變形云圖

圖8所示齊邊鋸主軸變形云圖反映了齊邊鋸主軸在工作過程中受各種載荷作用下的變形情況。從圖8可以看出，齊邊鋸主軸最大變形發(fā)生在帶輪的安裝位置處，越是接近軸端處變形越大，這樣與齊邊鋸主軸總成的實際工作情況完全一致。齊邊鋸主軸的最大變形量為0.000 59 mm，通常為保證加工精度，主軸工作時軸向傳動累計誤差保證在0.25～0.75 mm，故齊邊鋸主軸設計滿足精度要求。

綜合以上應力、應變和變形情況的分析可知，在齊邊鋸主軸總成工作過程中，齊邊鋸主軸的強度、剛度特性完全能夠保證強化地板數(shù)控橫向開榫機主機完成強化地板的橫向齊邊加工，并能保證較高的加工精度，說明齊邊鋸主軸結構設計合理。

3 強化地板數(shù)控橫向開榫機齊邊鋸主軸模態(tài)分析

模態(tài)分析是結構動力學分析的基礎，能夠真實地反映出結構的動態(tài)特性。通過模態(tài)分析可確定結構的固有頻率、阻尼及模態(tài)振型等動態(tài)性能，明確結構對不同類型動力載荷的相應情況，有效避免結構在工作過程中產(chǎn)生共振、噪聲污染等現(xiàn)象，為結構的優(yōu)化設計提供參考[16-17]。本文利用ANSYS12.0軟件中模態(tài)分析模塊對主機結構中關鍵零部件的動態(tài)特性進行模態(tài)分析，及早發(fā)現(xiàn)并解決設計階段存在的問題，大大縮短產(chǎn)品設計周期、降低設計成本，提高產(chǎn)品設計可靠性。

齊邊鋸主軸是強化地板數(shù)控橫向開榫機主機中最關鍵零件，具有6 000 r/min的轉速，其強度、剛度和振動頻率等性能的好壞對整機工作性能將產(chǎn)生直接的影響。如設備工作時被加工工件自身的不均勻性、電動機產(chǎn)生的振動、運動零部件的精度誤差等都可能造成主機和整機的受迫振動而產(chǎn)生“自激”振動，當此振動頻率與齊邊鋸主軸固有頻率相近時，齊邊鋸主軸會產(chǎn)生共振現(xiàn)象，造成噪聲污染的增加，主機加工精度的降低，甚至造成零部件的破壞，降低機器使用壽命。結構的模態(tài)分析是線性分析，任何所施加的力載荷在模態(tài)分析中都不考慮，僅對齊邊鋸主軸施加約束，考慮到較低階頻率與環(huán)境中其他振源產(chǎn)生共振的可能性最高，對設備的破壞更為嚴重，所以利用ANSYS12.0軟件對齊邊鋸主軸有限元模型(1～6階)模態(tài)振型進行分析，確定齊邊鋸主軸的前6階固有頻率及振型，齊邊鋸主軸前6階模態(tài)分析如圖9所示。

注：(a)第1階；(b)第2階；(c)第3階；(d)第4階；(e)第5階；(f)第6階。

根據(jù)圖9所示的模態(tài)分析結果，可對齊邊鋸主軸前六階固有頻率及振型進行分析，齊邊鋸主軸第1階模態(tài)振型表現(xiàn)為齊邊鋸主軸安裝鋸片一端Y向小幅振動，第2階模態(tài)振型表現(xiàn)為齊邊鋸主軸安裝鋸片一端X向小幅振動，第3階模態(tài)振型表現(xiàn)為齊邊鋸主軸安裝兩軸承中間位置X向小幅振動，第4階模態(tài)振型表現(xiàn)為齊邊鋸主軸安裝兩軸承中間位置Y向小幅振動，第5階模態(tài)振型表現(xiàn)為齊邊鋸主軸安裝帶輪一端X向小幅振動，第6階模態(tài)振型表現(xiàn)為齊邊鋸主軸安裝帶輪一端Y向小幅振動。齊邊鋸主軸的前6階固有頻率及振型統(tǒng)計結果如表1所示。

表1 齊邊鋸主軸前6階固有頻率及振型

從圖9和表1可以看出，齊邊鋸主軸的前6階模態(tài)的固有頻率為4 434.0～5 886.5 Hz，隨著齊邊鋸主軸固有頻率的增加，齊邊鋸主軸的振動在兩端和中間發(fā)生交替變化，振動幅度伴有小幅增長，考慮到主鋸軸軸承支撐點較遠，這樣的變化屬于正常情況。

當軸的轉速與共振臨界轉速接近時，軸的撓度和變形將迅速增大，導致軸及軸上零件發(fā)生破壞。因此，為了保證強化地板數(shù)控橫向開榫機的加工精度和安全性，需對高速軸進行振動穩(wěn)定性計算，即進行臨界轉速值計算，保證軸的工作轉速遠離臨界轉速，避免共振現(xiàn)象發(fā)生。軸的臨界轉速有多個，每階固有頻率對應每階臨界轉速，對于剛性軸，應保證n≤(0.75～0.8)ncr1，ncr1為軸第1階臨界轉速。利用頻率、轉速計算公式對齊邊鋸主軸每階臨界轉速進行計算，齊邊鋸主軸前6階臨界轉速如表2所示。軸的臨界轉速公式為：

n=60f

(2)

式中，n為轉速，r/min；f為頻率，Hz。

本文中齊邊鋸主軸為剛性軸，根據(jù)表2可知，主鋸軸實際轉速n=6 000 r/min，遠小于臨界轉速的75%～80%，可有效地避免共振區(qū)域。由于齊邊鋸主軸是齊邊鋸主軸組件的核心部件，要保證足夠的制造、安裝精度，同時，當測得齊邊鋸主軸組件及整機激振頻率與上述振型所在頻率帶相近時，要通過相應的減振措施避開這些頻率帶，保證設備的高精度運轉。

表2 齊邊鋸主軸前6階臨界轉速

4 結論

利用ANSYS有限元分析軟件對強化地板數(shù)控橫向開榫機主機的核心部件進行靜力學分析、模態(tài)分析，得出如下結論。

1)通過對強化地板數(shù)控橫向開榫機主機齊邊鋸主軸進行靜力學分析，驗證其結構設計的合理性，其剛度、強度等均滿足使用要求，并為主機組件及其他關鍵零部件的結構設計提供設計思路及依據(jù)。

2)通過對強化地板數(shù)控橫向開榫機主機齊邊鋸主軸進行模態(tài)分析，獲得齊邊鋸主軸的固有頻率及臨界轉速，證明強化地板橫向開榫加工過程中齊邊鋸主軸與主機機架之間不會發(fā)生共振現(xiàn)象，保證強化地板數(shù)控橫向開榫機主機加工的穩(wěn)定性。

完成了強化地板數(shù)控橫向開榫機齊邊鋸主軸的有限元分析，運用ANSYS12.0有限元分析軟件對強化地板數(shù)控橫向開榫機主機的齊邊鋸主軸部件進行了靜力學分析，獲得其應力云圖、應變云圖及最大變形云圖。分析結果顯示，齊邊鋸主軸和主機機架結構滿足其工作時的剛度和強度要求；對齊邊鋸主軸和主機機架還進行了模態(tài)分析，結果顯示其在正常工作狀態(tài)下不會產(chǎn)生共振，能夠滿足工作需求。因此，本研究對各種軸類零件的仿真分析提供了一定的參考價值和理論依據(jù)。

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