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VDF-850 加工中（zhōng）心主軸單元結構分析

2017-5-31 來源：湄洲灣職業（yè）技術學院作者：齊曉霞

摘要：作為數控機床最主要的功能部件，主軸的性能對加工中心的安全及精度起著決定性作用。本文對VDF-850 立式加工中心的主軸結構進行詳（xiáng）細分（fèn）析，並（bìng）采用丹麥必凱公司的檢測裝置完（wán）成對主軸的振動響應試驗，進而判斷引起主軸振動的振源。

關鍵詞（cí）：加工中心主軸振動響應

引言

主軸作為加工中心的功能部件，是整（zhěng）套裝備中最重要的一種配（pèi）件。它和刀具一起將主軸的轉動轉換為工件（jiàn）的（de）軸向移動（dòng），製成零件成品。主軸（zhóu）單元作為加（jiā）工中心的關鍵性單元，包（bāo）括主軸、軸承、裝在主軸上的傳動帶輪、自動換刀及準停裝置等。加工中心的轉（zhuǎn）速高，功率大（dà），在加工時（shí）不能（néng）進行人工調整。這就要求主軸具有更好的（de）回轉精度、抗振（zhèn）性能（néng）、熱穩定（dìng）性能、有較高的結（jié）構剛度及精（jīng）度的保持（chí）性[1]。主軸單元的工作性能對數控機床的功能性質、零件品質及加工效率有著非常明顯的作用。

1.主軸單元結構分析

1.1　主軸（zhóu）單元主傳動（dòng）

主軸的傳動單元將電機的回轉運動轉換為刀庫軸的扭矩以及銑削力。因此，其變速區間要大，確保在零件加工（gōng）時有適合的切削量；主軸單元要有優良的抗振動能力、受熱及受力時的形變能力（lì），以（yǐ）確保產品的精密度。VDF-850 立式加工中心主傳動采用 FANUC 交流伺服電機驅動，電機通過齒數（shù）比（bǐ）為 1:1 的齒形帶直接帶動主軸，通過（guò）改變主、從動帶輪直徑改變轉速和轉矩。主電機的角位移量通過（guò）光電編碼器的光電轉換變為電脈衝當量，輸出到數控係統，確保主軸的剛性攻絲及準停。

1.2　主軸支承結構

主（zhǔ）軸的支承（chéng）件是主軸係統（tǒng）的主要部件（jiàn），主要指軸承及軸承座，其中軸（zhóu）承是中心。采用滾動軸承的支承轉速和（hé）載荷的變化範（fàn）圍大，有一（yī）定過盈量（liàng）時也能穩定轉動，旋轉精度高，但是剛（gāng）度不穩定，容易振動。滑（huá）動軸承（chéng）的支承抗振動性能（néng）好，轉動過程平穩，但是製造和維（wéi）修困難。VDF-850 加工中心中，主軸的前軸承是兩個串聯使用的主軸專用精密 P4 級角接觸軸（zhóu）承，型（xíng）號為 7012A5TYSUMP4，主要承受較大的切削力。後軸承是用兩個背對背配置的精密 P4 級高速滾柱軸承，型（xíng）號（hào）為 7011A5TYSUMP4，主要承受轉矩。高速（sù）精密角接（jiē）觸軸承的質量輕、膨脹係數低、硬（yìng）度高，使其高速運轉時的離心力及熱溫升減少，轉速得以提高，達到（dào） 8000r ﹒ min-1。

1.3　主軸端部

主軸的前端用於裝夾（jiá）銑刀（dāo），這就需要精確的（de）定位，裝配要（yào）牢靠且拆裝簡單容易，能夠傳（chuán）送轉矩。VDF-850 加工（gōng）中心主軸前端有 NO.40（錐（zhuī）度為（wéi） 7:24）的錐孔，用於裝配刀杆，於錐形孔內進行定位。主軸部件的端麵鍵將主軸的回轉運（yùn）動傳給刀具軸。刀柄及拉杆螺栓見圖 1、圖（tú） 2。

2.主軸空轉試驗分析

2.1　試驗方案（àn）

僅運行主（zhǔ）電動機，做主軸的響應試驗。使主軸轉速從 45. r·min-1開始到（dào）最高轉速（sù） 8000 r·min-1結束，以200 ～ 500r·min-1的轉速級差進行空轉，每級轉速的運（yùn）轉時間最少為 2 分（fèn）鍾，在最高轉速時運轉（zhuǎn）時間至少為 30 分鍾，測試（shì）時主軸軸承溫度（dù）值不能超過 60°。測量主軸前支撐位置在不同轉速下沿 X 軸、Y 軸（zhóu）、Z 軸的振動加速度響應[2-3]。對測試所得信號進行（háng）頻譜分析，判斷（duàn）振動是因係統內部回轉零件不（bú）平（píng）衡（héng）引起的還是因傳動係統外的其他振源引起的。將連（lián）接主軸和主電機（jī）的同步帶去掉，斷開主傳動係統後再進行響應試驗，進一步確定外部振源的存在性。若是一直存在某一個振動頻率，則可以認定振動是由外界源引起的。

2.2　試驗條件

響應（yīng）試驗使用（yòng）的是丹麥必凱公司（sī）的一套檢測裝（zhuāng）置。在主軸箱前軸承處安裝對環境噪聲敏感度較低（dī）的微型加速度計，連接 PULSE 平台的 3560B/C/D 型數（shù）據采集前端，再與筆記本電腦點（diǎn）對點直連，組成振動實驗測試（shì）係（xì）統（tǒng）。測試係統簡圖如圖 3 所示

圖 3　振動測試係統簡圖（tú）

通過 7700pulse 分析係統的快速傅裏葉變化（Fast FourierTransform）分（fèn）析儀完成采樣參數的設（shè）置，如圖 4、圖 5 所示。根據奈奎（kuí）斯特采樣定（dìng）理，采樣率應大於被測信號頻率的 2 倍，才能避免頻率混疊現象，帶寬越大，所能顯示的信號頻率分量越豐富，也就能更加接近真實的信號波形。FFT 分析儀在測量主軸的振（zhèn）動（dòng）信號時所需的最小帶寬，被（bèi）測信號最快上升時間為 25ms（10％～ 90％）：最高信號頻率f=0.5/25ms=200Hz，示波器帶寬 Span=1.0×200Hz=200Hz

VDF-850 主軸的轉動速率在 3000r·min-1以下時，確（què）定分析帶寬為 Span=200Hz；在 FFT 分析儀中，采樣頻率Fs=2.56Span，此時采樣頻率為 Fs=512Hz。當主軸轉速超（chāo）過3000r·min-1時，確定分析帶寬 Span=400Hz，取采樣頻率Fs=1000Hz。

2.3　試驗結果分析

在進行響應檢測試驗前，應令主軸無負荷轉動 30 分鍾以上（shàng）。轉速從 1000r·min-1開始到最（zuì）高轉速 8000r·min-1結束，以 500r·min-1為間隔逐（zhú）步升高，采集主（zhǔ）軸箱前軸（zhóu）承處在（zài）不同轉速下的振（zhèn）動參數（shù）。由 B ＆ K 公司的 Pulse 測量係統顯示並記錄所得數據，收（shōu）集到的部分轉速下的振動數據見表 1。

表 1　無負荷運轉時的響應數值

從檢測試驗獲得的響應數值即（jí）可斷定：

（1）在主軸的前支承處沿徑向（xiàng）的振動速率達到極大值；

（2）從圖6可知，主軸轉速在1000～4800r·min-1時出現頻（pín）率為 44.68 ～ 48.64Hz 的振動；當轉速在 4900 ～ 8000r·min-1 時，出現（xiàn）頻率為 75.19 ～ 77.64Hz 的振動。上述兩個頻率的振動應該是外部源引發（fā）的。

VDF-850 主軸部件總共兩個（gè）振源，頻率為 47.68Hz 和75.19Hz 左右，主軸結構（gòu）在這兩個頻段（duàn）內可能存在薄弱點。VDF-850 加工中心主要動力源有主軸電機和冷卻泵電機，相關參數如表 2 所示。

表 2　VDF-850 使用電機的參數

從 VDF-850 加工（gōng）中（zhōng）心電機的參數可知，冷（lěng）卻泵電機的頻率為 50Hz，與 44.68 ～ 48.64Hz 相（xiàng）接（jiē）近，是振源之一；從主軸轉速 - 頻率圖來看，轉速在 4800r·min-1以下出現頻率為44.68 ～ 48.64Hz 的振動；轉速高（gāo）於 4900r·min-1後，出現頻率（lǜ）為 75.19 ～ 77.64Hz 的振動，與冷卻泵電（diàn）機的頻率沒有關係。

3.結論

通過對 VDF-850 加工中心進行主（zhǔ）軸空運轉試驗，分析試驗結果發現：

（1）機床（chuáng）在空轉時存在頻率為 44.68 ～ 48.64Hz 和75.19 ～ 77.64Hz 的兩個強（qiáng）迫振動。

（2）冷卻泵電機的自然頻率是 50Hz，與空轉響應試驗中出現的頻率 44.68 ～ 48.64Hz 相差不大，可認為冷卻泵電機是引起機床主軸振動的振源之一。

（3）機床主（zhǔ）軸在頻率為 75.19 ～ 77.64Hz 的區間存在薄（báo）弱模態（tài）。

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