數控車床主軸（zhóu）靜動態特性研究-螺（luó）紋加工機床網-數控機床市場網

您現在（zài）的位置：螺紋加工機床網> 技術前沿> 數控車床主軸靜動態特性研（yán）究

數控車床主軸靜動態特性研究

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兩個型號的主軸（zhóu）箱部件進行靜力學、模態及振動分析（xī），對比SA和SC兩個型號主軸箱部件的靜態變形（xíng）、動態剛度、振（zhèn）型和振動特性。並通過頻響函數測試，驗證了有限元分析結果，分析出振動原因。

目前某公司生（shēng）產批量較大的N L50係列車床，其中的SA型號機床存在不同程度的振刀（dāo）現象（xiàng），而（ér）SC型號沒有（yǒu）振刀現象。機床振（zhèn）動的原因是（shì）非常複雜的，本文通過對主軸箱部件進行靜力學、模態及振動（dòng）分析，對比SA和SC兩個（gè）型號主軸箱部件自身靜態剛度、振動特性。同時也對機床（chuáng）進行振（zhèn）動測試、頻響函數（shù）測試，通過對比，分析（xī）了產（chǎn）生振動的主要原（yuán）因。

1. 軸承（chéng）剛度計算及分析

車床N L50標準機型內部構造為軸承聯接主軸與外殼結（jié）構，如下圖1所示。SA與SC型號區別主（zhǔ）要是箱體結構不同。其中主軸前端軸（zhóu）承為三列7022A5，中預緊，為DBD組合。後軸承為兩列NSK7020C，中預緊，為DB組合。前端DBD組合（hé）後，軸向剛度：Sa= 1.48×441= 661 . 56N/μm ；徑向剛度：S r =2×1.54×441=1 358N/μm。後端 D B 組合後，軸向剛度（dù）：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，在有限元軟件中對軸承材料進行調整模擬，前軸承DBD組合後，最終得到的結果如表1所示，分析結果如圖2所示，最終使得該模型的剛度與實際相近。經過多次數據調整，前端軸承的模（mó）型剛度（dù）（徑向剛度和軸向剛度）與實際軸承的剛度幾乎一（yī）致，達（dá）到了軸承模擬的效果。

圖（tú）1　NL50係（xì）列機型主軸部件軸承布置

表1　前軸承徑向剛度和軸向剛度（dù）參數

表1 前軸承徑向剛度和（hé）軸向剛度參數

圖2 前軸（zhóu）向剛度模擬數（shù）據

同樣，按照剛度（dù）計算方法進（jìn）行材料（liào）調整，後軸承DB組合後最終得（dé）到（dào）的結果如（rú）表2所示，分析結果如圖3示。因（yīn）為（wéi）後軸（zhóu）承（chéng）NSK7020C不承受（shòu）軸向力，所以軸向剛度暫時忽（hū）略。

2. 主軸箱部件的靜力學分析（xī）

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

圖3 後軸向剛度模擬數據

圖4　NL502SA主軸箱部件變形

表2後軸承徑（jìng）向剛度和軸向剛度參數

從上麵的分析（xī）可以看出SA型號的（de）主軸箱部件變形為0.051 3mm，主軸箱變形為 0.008 2m m。S C型號的主軸箱部（bù）件變形為0.048mm，主軸箱變形為0.006mm。靜剛（gāng）度對（duì）比如圖8所（suǒ）示，SC型號的靜剛度明顯高於SA型號。

3. 主軸箱部（bù）件的模態分析

在相同約束條件下（約束螺栓孔），分別對N L502S A和N L502S C進行約束模態分析（xī），分（fèn）別提取對切削（xuē）振動影響（xiǎng）較大（dà）的幾階固有頻率（lǜ）振（zhèn）型雲圖，其中圖9～圖11為NL502SA的結果，圖

12～圖14為（wéi）NL502SC的結果。

圖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（mó）態分析結果可以（yǐ）看出，SA主軸箱部件固有頻率低於SC，振型類似。其中第1、第2階為帶輪擺（bǎi）動，對加工振動影響較小，沒有列舉。第3～第5階振型為卡盤和工件的擺動，其（qí）中卡盤和工件（jiàn）的擺動對加工（gōng）的振動影響較大，對比如圖15所示。

圖9 NL502SA第（dì）3階振型

圖10 NL502SA第4階振型

圖11 NL502SA第5階（jiē）振型（xíng）

圖（tú）12 NL502SC第 3階振型

圖13 NL502SC第4階（jiē）振型

圖14 NL502SC第5階振型

圖15　SA與SC型號模態對比

4. 主軸箱部（bù）件的動態特性

分析（xī）在（zài）相同約束條件下（約束螺栓孔），在距離（lí）卡盤端麵150mm處施加切削載荷（hé），主（zhǔ）切削力為 1800 N ，徑向力為 5 5 0 N ，並且分別對NL502SA和NL502SC進行（háng）諧響應分析，頻（pín）率範圍為100

～300H z，頻率間（jiān）隔為2H z，初始相位為0°。圖16為NL502SA主軸箱部（bù）件的諧響應（yīng）曲線，圖17為相（xiàng）位變化曲線。

從圖16曲線中可以看出（chū），NL502SA主軸箱在215Hz、220H z、238H z和255H z時，振（zhèn）幅增大，並且從圖17可以看出此時相位（wèi）發生180°的（de）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（bù）件的諧響應曲線如圖18所示，相位變化曲線如圖19所示。

從上麵的圖18曲線中可以看出，NL502SC主軸箱在174Hz、214H z、222H z和254H z時，振幅增大，並且從圖19可（kě）以看（kàn）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。

圖16　NL502SA諧響應曲線

圖17NL502SA相位變化

圖18 NL502SC諧響應曲線

圖19 NL502SC相位（wèi）變化

5. 機床（chuáng）切削振動測試

利用（yòng）東方所DASP-V10振動測試分析設備對N L50機床進行振動和（hé）動剛度測試如圖20所示。S A型號主軸端振動頻譜如圖21所示，從圖（tú）中可以看出振動（dòng）特征頻率為238Hz。振動在主切削力方向的動剛（gāng）度曲（qǔ）線如圖22所示（shì），從圖中可以看出在238Hz處有明顯的峰值，說明（míng）某一階（jiē）固（gù）有頻率為238Hz。

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

、278H z分別（bié）是結構（gòu）的（de）某階固有頻率。

從切削振（zhèn）動測試和頻響函數測試（shì）發現，S A振動頻（pín）譜中有明顯的振動特征頻率238Hz，而S C 係列（liè）沒有；並（bìng）且在 S A 係列（liè）的頻響曲（qǔ）線中看到（dào）明顯的固有頻率238Hz，而SC係列固有頻率為195Hz、

278Hz。