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VDF-850 加工中心主軸單元結構分析

2017-5-31 來源：湄洲灣職業技術學院作者：齊曉霞

摘要：作為數控機床最（zuì）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（zuò）用。本文對（duì）VDF-850 立式加工中心的主軸結構進行詳細分析，並采用丹麥必凱公司的檢測裝置完成對主軸的振動響應試驗，進而判斷引起（qǐ）主軸振動的振源。

關鍵詞：加工中心主軸（zhóu）振動響（xiǎng）應

引言

主軸作（zuò）為加工中（zhōng）心的功能（néng）部件，是整套（tào）裝備（bèi）中最重要的一種配件。它和刀具（jù）一起將主軸的轉動轉換為工件的軸（zhóu）向移動，製成零件成品。主軸（zhóu）單元作為加工中心的關鍵性單元，包括主軸、軸承、裝（zhuāng）在主（zhǔ）軸上的傳動帶輪、自動換刀及（jí）準停裝置等。加工中心的轉速高，功率（lǜ）大，在（zài）加工時不能進行人工調整（zhěng）。這就要求主軸具有更好（hǎo）的回轉精度、抗振性能（néng）、熱穩定性能、有較高的結（jié）構剛（gāng）度及精度的保持（chí）性[1]。主軸單元的工作性能對數控（kòng）機床的功能性質、零件品質及加工效率（lǜ）有（yǒu）著非常明顯的（de）作用。

1.主軸單元結構分析

1.1　主軸單元主（zhǔ）傳動

主軸的傳動單（dān）元將電機的回轉運動轉換（huàn）為刀庫軸的扭矩以（yǐ）及銑削力。因此，其變速區間要大，確保在零件加工時有適合的切削量；主軸單元要（yào）有優良的抗振動能力、受熱及受力時（shí）的形變能力，以確保產品的精密度（dù）。VDF-850 立式加工中心主傳動采用 FANUC 交（jiāo）流伺服電機驅動，電（diàn）機通過齒（chǐ）數比為 1:1 的齒形（xíng）帶直接帶動主軸，通過改變主、從（cóng）動帶（dài）輪直徑改（gǎi）變轉（zhuǎn）速和轉矩。主電機的角位移量通過光電編碼器的光電轉換變為電脈衝當量（liàng），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（gòu）

主軸的支承件是主軸係統的主要部件，主要指軸承及軸承座，其中軸承是中心（xīn）。采用滾動軸承的支承轉速和載荷的變化範圍大，有一定過盈量時也能穩定轉動，旋（xuán）轉精（jīng）度高，但是（shì）剛度不穩定（dìng），容易振動。滑動（dòng）軸承的支承抗振動性能好，轉動過程平穩（wěn），但是製造（zào）和維修困難。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（mì） P4 級（jí）角接觸軸（zhóu）承，型號為 7012A5TYSUMP4，主（zhǔ）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，型號為 7011A5TYSUMP4，主要承受轉矩。高速精密角接觸軸承的質量輕、膨脹係數低、硬度高，使其高速運轉時的（de）離心力及熱溫升減少，轉速得以提高，達（dá）到（dào） 8000r ﹒ min-1。

1.3　主軸端部

主（zhǔ）軸的前端用於裝夾銑刀，這就需要（yào）精確（què）的定（dìng）位，裝配（pèi）要牢靠且拆裝簡單容易，能夠傳（chuán）送轉矩。VDF-850 加工中心主軸前端有 NO.40（錐度為 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（de）端（duān）麵鍵將（jiāng）主軸的回轉運動傳給刀（dāo）具軸。刀柄及（jí）拉杆（gǎn）螺栓見圖 1、圖 2。

2.主軸空轉試驗分（fèn）析

2.1　試驗方案

僅運行主電動機，做主軸的響應試驗。使主軸轉（zhuǎn）速從 45. r·min-1開始到最高轉速 8000 r·min-1結束，以200 ～ 500r·min-1的轉速級差進行空轉，每級（jí）轉速的運轉時間最少為 2 分鍾，在最（zuì）高轉速時運轉時間至少為 30 分鍾，測試時主軸軸承溫度值不能超過 60°。測量主軸前支撐位（wèi）置在不同（tóng）轉速下沿 X 軸、Y 軸、Z 軸的振（zhèn）動加速度響（xiǎng）應[2-3]。對測試所得信號進行頻譜分析，判斷振動是因係統內部回（huí）轉零件不平衡引起的還是因傳動係統外的其他振源引起的。將連接（jiē）主軸和主電機的同步帶去掉，斷開主傳動係統後（hòu）再進行（háng）響應試驗，進一（yī）步確定外部振源的存在（zài）性。若是一直（zhí）存在某一個振動頻率，則可以認定振動是（shì）由外界源引起的。

2.2　試（shì）驗條件

響應試驗（yàn）使用的是丹麥必凱公司的一套檢測裝置。在主軸箱前軸承處安裝對環境噪聲敏感度（dù）較低的（de）微型加速度（dù）計（jì），連接 PULSE 平台的（de） 3560B/C/D 型數據（jù）采集前端，再與筆（bǐ）記本電腦點對點直連，組成振動實驗測試係統。測試係統簡圖如圖 3 所示

圖 3　振動測試係統簡（jiǎn）圖

通過 7700pulse 分析係統的快速傅裏葉變化（Fast FourierTransform）分析儀完成采樣（yàng）參數的設置，如圖 4、圖 5 所示。根據奈奎斯特采樣定理，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（kuān）越大，所能顯示的信號頻率（lǜ）分量越豐富，也就能更加接（jiē）近真實的信號（hào）波形。FFT 分析儀在測量（liàng）主軸的振動信號時所需的最小帶寬，被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（shì）波器帶寬 Span=1.0×200Hz=200Hz

VDF-850 主軸的轉（zhuǎn）動速率在 3000r·min-1以（yǐ）下時，確定分析帶寬為 Span=200Hz；在 FFT 分析儀中（zhōng），采樣頻率Fs=2.56Span，此時采樣（yàng）頻率為（wéi） Fs=512Hz。當主軸轉速超過3000r·min-1時（shí），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（jìn）行響應檢測試（shì）驗前，應令主軸無負荷轉動（dòng） 30 分（fèn）鍾以上。轉速從 1000r·min-1開始到最高轉速 8000r·min-1結束，以 500r·min-1為間隔逐（zhú）步升高，采集主軸箱前（qián）軸承處（chù）在不同轉速下（xià）的振動參數。由 B ＆ K 公司的 Pulse 測量係統顯示並記錄所（suǒ）得數據，收集到的部分轉（zhuǎn）速下的振動數據見（jiàn）表 1。

表 1　無負荷運轉時的響應（yīng）數值

從（cóng）檢測試驗獲得（dé）的響應數值即（jí）可斷定：

（1）在（zài）主軸的前支承（chéng）處沿徑向的振動速率達（dá）到極大值；

（2）從圖6可知，主軸轉速在1000～4800r·min-1時出現頻率為 44.68 ～ 48.64Hz 的振動；當轉速在 4900 ～ 8000r·min-1 時，出現頻率為 75.19 ～ 77.64Hz 的振動。上述兩（liǎng）個頻率（lǜ）的振動應該（gāi）是外部（bù）源引發的。

VDF-850 主軸（zhóu）部件總共兩個振源，頻率為 47.68Hz 和75.19Hz 左右，主軸結（jié）構在這兩個（gè）頻段內可能存在薄弱點（diǎn）。VDF-850 加工中心主要動力（lì）源有主（zhǔ）軸電機和冷卻泵電機，相關參數如（rú）表 2 所示。

表 2　VDF-850 使（shǐ）用電機的參數

從 VDF-850 加工中心電機的參（cān）數可知，冷卻泵電機的頻率為 50Hz，與 44.68 ～ 48.64Hz 相接近，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；轉速高於 4900r·min-1後，出現頻率為 75.19 ～ 77.64Hz 的振動，與冷卻泵電（diàn）機的頻率沒有（yǒu）關係。

3.結論

通過對 VDF-850 加工中心進（jìn）行主軸空運（yùn）轉試驗，分析試驗（yàn）結果發現：

（1）機床在空轉（zhuǎn）時存（cún）在頻率為 44.68 ～ 48.64Hz 和75.19 ～ 77.64Hz 的兩個強迫振動。

（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（lǜ） 44.68 ～ 48.64Hz 相差不大，可認為冷（lěng）卻泵電機是引起機床主軸振動的振（zhèn）源之一。

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

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