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數控車床主軸靜動（dòng）態特性研究

2020-6-20 來源：- 作者：-

摘要：本文針對某公司生產的NL50係列車床SA和SC兩個型（xíng）號的主軸箱（xiāng）部（bù）件進行靜力學、模態及振動分（fèn）析，對比SA和SC兩個型號主軸箱部件的靜態變形、動態剛度、振型和振動（dòng）特性。並通過頻響函數測試，驗證了有限元分析結果，分析出振動原（yuán）因。

目前某公司生產批量較大的（de）N L50係列車床，其中（zhōng）的SA型號機床存在不同程度的振（zhèn）刀現象，而SC型號沒有振刀現象。機床振動的原因是非常複雜的，本文通過對主軸箱部件進行靜力學、模（mó）態及振（zhèn）動分析（xī），對比SA和SC兩個（gè）型號主軸箱部件自身靜態（tài）剛度、振動特性。同時也對機（jī）床（chuáng）進行振動測試、頻響函數測（cè）試，通過對（duì）比，分析了產生振動的主（zhǔ）要原因。

1. 軸承剛度計（jì）算及（jí）分析

車床N L50標（biāo）準機型內部構造（zào）為軸承聯接（jiē）主軸與外殼結構，如下圖1所示。SA與（yǔ）SC型號區別主要是箱體結構不同（tóng）。其中主軸前端軸承為三列7022A5，中預（yù）緊，為DBD組合（hé）。後軸承為兩列NSK7020C，中預（yù）緊，為DB組合。前端（duān）DBD組合後，軸向剛度：Sa= 1.48×441= 661 . 56N/μm ；徑向（xiàng）剛度：S r =2×1.54×441=1 358N/μm。後端 D B 組合後，軸向剛度：Sa= 187N /μm ；徑向剛度：S r =5×Sa=935N/μm。

按照上述的計算的剛度數值，在有限元（yuán）軟件中對軸承材（cái）料進行調整模擬，前軸承DBD組合後，最終得到的結（jié）果（guǒ）如表1所（suǒ）示（shì），分析結果如圖2所示，最（zuì）終使得該模型的剛度與實際相近。經過（guò）多次（cì）數據調整，前端軸承的模型（xíng）剛度（徑向剛度和軸向剛度）與實際軸承的剛度（dù）幾乎一致，達到了（le）軸承模擬的效果（guǒ）。

圖1　NL50係列機（jī）型主（zhǔ）軸部件（jiàn）軸承布置

表（biǎo）1　前軸承徑向剛度和軸向剛度參數

表1 前軸承徑向剛（gāng）度和軸向剛度參數

圖2 前軸向剛度模擬數據

同樣，按（àn）照剛度計算方法進（jìn）行材料調整，後（hòu）軸承DB組合後最終得到的結果如（rú）表2所示，分（fèn）析結果如圖3示。因為後軸承（chéng）NSK7020C不承受軸向力，所以軸向剛度暫時忽略。

2. 主軸箱部件的靜力學分（fèn）析

按照實際箱體載荷及約束條件，利用有（yǒu）限元（yuán）軟件分別對N L502S A和N L502S C進行靜力（lì）學分（fèn）析（xī），在距離卡盤端麵150mm處施加切（qiē）削載荷，主切削力為1800 N ，徑向力為 550N 。分別提取整體部件、主軸箱和工件端麵的分析結（jié）果，其中圖4、圖5為N L502SA 的結果（guǒ），圖 6 、圖 7 為NL502SC的（de）結果。

圖3 後軸向剛度模擬數據（jù）

圖4　NL502SA主（zhǔ）軸箱部（bù）件變形

表2後軸（zhóu）承徑向剛（gāng）度和軸（zhóu）向剛度參數

從上麵的（de）分析可以看出SA型號的主軸箱部（bù）件變形為0.051 3mm，主軸箱變（biàn）形（xíng）為 0.008 2m m。S C型號的主軸箱部件變形為0.048mm，主軸箱變形為0.006mm。靜剛度對比如（rú）圖8所示，SC型（xíng）號的靜剛（gāng）度明顯高於SA型（xíng）號（hào）。

3. 主軸箱部件的模態分析

在相同約束條（tiáo）件下（約束螺栓孔），分別對N L502S A和N L502S C進行約束模（mó）態分析，分別提取對切削振動影響較大的（de）幾階固有頻率振型雲圖，其中圖9～圖11為NL502SA的結果，圖

12～圖14為NL502SC的結果。

圖（tú）5 NL502SA 主軸箱變形

圖6　NL502SC主軸箱部件變形

圖7　NL502SC主軸箱變形

圖8　SA與SC型號的靜剛度對比

從模態分（fèn）析結果可以看出（chū），SA主軸箱部件固有頻率低於SC，振型類似。其中第1、第2階（jiē）為帶輪擺動，對加工振動影響較小，沒有列舉。第3～第5階（jiē）振型為卡盤和（hé）工件的擺動，其（qí）中卡盤和工件的（de）擺動對加工的振動影響較大（dà），對比如圖15所（suǒ）示。

圖9 NL502SA第3階振型

圖10 NL502SA第4階振型

圖11 NL502SA第5階（jiē）振型

圖12 NL502SC第 3階（jiē）振型

圖13 NL502SC第4階振型

圖14 NL502SC第5階振（zhèn）型

圖15　SA與（yǔ）SC型號模態對（duì）比（bǐ）

4. 主軸箱部件的動態特性

分析在相（xiàng）同約束條件下（約束螺栓孔（kǒng）），在（zài）距離（lí）卡盤端麵150mm處施加切削（xuē）載荷，主切削力（lì）為 1800 N ，徑向（xiàng）力為 5 5 0 N ，並且分別對NL502SA和NL502SC進行諧響應分析，頻率範圍為100

～300H z，頻率間（jiān）隔為2H z，初始相位為0°。圖（tú）16為NL502SA主軸箱部件的諧響應曲線，圖17為相位變化（huà）曲線（xiàn）。

從圖16曲線中（zhōng）可以看出，NL502SA主（zhǔ）軸箱在215Hz、220H z、238H z和255H z時，振幅增（zēng）大，並且從圖17可以看出此時相位發生180°的變化，說明這些頻率是結構的一些固有頻率。N L502S C

主軸箱部件的諧響應曲線如圖18所示，相位變化曲線（xiàn）如圖19所示。

從上麵的圖18曲（qǔ）線中可以看出，NL502SC主軸（zhóu）箱在174Hz、214H z、222H z和254H z時，振幅增大，並且從圖19可以看出（chū）此時相位發生（shēng）180°的（de）變化。說明這些頻率是結構的一些（xiē）固有頻率。

圖16　NL502SA諧響應曲（qǔ）線

圖17NL502SA相位變化

圖18 NL502SC諧響（xiǎng）應曲線

圖19 NL502SC相位變化

5. 機床切削（xuē）振動測試

利用東方所DASP-V10振動測（cè）試分析設備對N L50機床進行振動和動剛度測（cè）試（shì）如圖20所（suǒ）示。S A型號主軸（zhóu）端振動頻譜如（rú）圖21所示，從圖中可以看出振動特征頻率（lǜ）為238Hz。振動（dòng）在主切削力方向的（de）動（dòng）剛度曲（qǔ）線如圖22所示，從圖中可以看出在238Hz處有明（míng）顯的峰值，說明某一階固有頻率為238Hz。

S C 型號主軸（zhóu）端振動頻譜如圖23所示，從（cóng）圖中可以看出無明顯（xiǎn）的振動特征頻率。振動在主切削力方向的動剛度曲線如圖24所示，從圖中可以看出在195Hz、278Hz 處有明顯的（de）峰值，說明195H z

、278H z分別是結構的某階固有頻率。

從切削振動測（cè）試和頻響函數測試發現，S A振動頻譜（pǔ）中有明顯的振動特征頻率238Hz，而S C 係列（liè）沒有；並且在（zài） S A 係列的頻響曲線中看到明顯的固有頻率238Hz，而SC係（xì）列固有頻率為195Hz、

278Hz。