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數控車床主（zhǔ）軸（zhóu）靜動態特性研究（jiū）

2020-6-20 來源：- 作者：-

摘要：本文針對某公司生產的NL50係（xì）列車床SA和SC兩個型號的主軸箱部件進行靜力學、模態及振動分析，對（duì）比SA和SC兩個型號主（zhǔ）軸箱部件的靜態變形、動態剛度、振型和振動特性。並（bìng）通過頻響函數（shù）測試，驗證了有限元分析結果，分析出振動原因。

目前某公司生產批量（liàng）較大的N L50係列車床，其中的SA型號機床存在（zài）不同程（chéng）度的振（zhèn）刀現象，而SC型號沒有振刀現象（xiàng）。機（jī）床振動的原（yuán）因是非常複雜的，本文通過對主軸箱部件進行靜力學、模態及振動分析，對（duì）比SA和SC兩個型號主軸箱（xiāng）部件自身靜態剛度、振動特性。同時也對（duì）機床（chuáng）進行振動測試（shì）、頻響函數測試，通過對比，分析了產生振動的主要原因。

1. 軸承剛（gāng）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構，如下圖1所示。SA與SC型號（hào）區別主要是箱體結構不同。其中主軸前端軸承為（wéi）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組合後，軸向剛度（dù）：Sa= 1.48×441= 661 . 56N/μm ；徑向剛度（dù）：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（shàng）述的計算的剛（gāng）度數值，在有限元軟件中對軸承材料（liào）進行（háng）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（rú）圖2所示，最終使（shǐ）得該模型（xíng）的剛度與實際相（xiàng）近。經（jīng）過多次數據調整（zhěng），前端軸承的模型剛度（徑（jìng）向剛（gāng）度和軸向（xiàng）剛度）與實際軸承的剛度幾乎一致，達到了軸（zhóu）承模（mó）擬的（de）效果。

圖1　NL50係列機（jī）型主軸部件軸承（chéng）布（bù）置

表1　前軸承徑（jìng）向剛度和軸向剛度參數

表1 前軸承徑（jìng）向剛度和軸向剛度參數

圖2 前軸向剛度模擬數據

同樣，按照剛度計算（suàn）方法進行材料調（diào）整，後軸承DB組合後最終得到的結果如表2所示，分析結果（guǒ）如圖3示。因為後軸（zhóu）承NSK7020C不承受軸向力（lì），所以軸向剛度暫時（shí）忽（hū）略。

2. 主軸箱部件的靜力學（xué）分析

按（àn）照實際箱（xiāng）體載荷及約（yuē）束條（tiáo）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，在距離卡盤端麵150mm處施加切削載荷，主切削力為1800 N ，徑（jìng）向力為 550N 。分別提取整體（tǐ）部件、主軸箱和工件端麵的分析結果，其中圖4、圖5為N L502SA 的結果，圖 6 、圖 7 為NL502SC的結果。

圖（tú）3 後軸（zhóu）向剛（gāng）度模擬數據

圖4　NL502SA主軸箱部件變形

表2後軸承徑向剛度和軸（zhóu）向剛度參數

從上麵的分析可以（yǐ）看出SA型號的主軸箱（xiāng）部件變形為（wéi）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（biàn）形為0.048mm，主軸（zhóu）箱變形為（wéi）0.006mm。靜（jìng）剛度對比如圖8所示，SC型號的靜剛度明顯高（gāo）於SA型號（hào）。

3. 主軸箱部件的模態分析

在相同約束條件（jiàn）下（約束螺栓孔），分別（bié）對N L502S A和N L502S C進行（háng）約束模態分析，分別（bié）提取對切削振動（dòng）影響較大（dà）的幾階（jiē）固有頻率振型雲圖，其中圖9～圖11為NL502SA的結果，圖

12～圖（tú）14為NL502SC的結果。

圖5 NL502SA 主（zhǔ）軸箱變形

圖6　NL502SC主軸箱部件變形

圖7　NL502SC主軸箱變形（xíng）

圖8　SA與SC型（xíng）號的靜剛度對比

從模態（tài）分析結果可以看出，SA主軸箱部件固有頻率低於SC，振型類似。其中第1、第2階為帶輪擺動，對加工振（zhèn）動影響較小，沒有（yǒu）列舉。第3～第5階振型為卡盤和工件的擺動，其中卡盤和（hé）工件的擺動對加工的振動影響（xiǎng）較大，對（duì）比（bǐ）如圖15所示（shì）。

圖9 NL502SA第3階（jiē）振型

圖10 NL502SA第4階振（zhèn）型（xíng）

圖11 NL502SA第5階振型

圖12 NL502SC第 3階振（zhèn）型

圖13 NL502SC第4階振型（xíng）

圖14 NL502SC第5階振型（xíng）

圖15　SA與SC型號模態對（duì）比

4. 主軸箱部件的動態特（tè）性

分析在相同（tóng）約束條件下（約束螺栓孔），在距離卡盤端麵（miàn）150mm處施加切削載荷，主切削力為 1800 N ，徑向力為 5 5 0 N ，並且分別對NL502SA和NL502SC進行諧響應分析，頻率範圍為（wéi）100

～300H z，頻率間隔為（wéi）2H z，初始（shǐ）相位（wèi）為0°。圖16為NL502SA主軸箱部件的諧響應曲線，圖17為相位變（biàn）化曲線。

從圖16曲（qǔ）線中可以看出，NL502SA主軸箱在215Hz、220H z、238H z和255H z時，振幅增（zēng）大，並且從圖17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（xiē）固有頻率。N L502S C

主軸箱部件的（de）諧響應曲線如圖18所示，相位變化（huà）曲線如圖19所（suǒ）示。

從上麵的圖18曲線（xiàn）中（zhōng）可以看出，NL502SC主軸箱在174Hz、214H z、222H z和254H z時，振幅（fú）增大，並且從圖19可以看出此時相位發生180°的變化。說明這些頻率是結（jié）構的一些固有頻率。

圖16　NL502SA諧響應曲線

圖17NL502SA相（xiàng）位變化

圖18 NL502SC諧響應曲線

圖19 NL502SC相位變化

5. 機床切削振動測（cè）試（shì）

利用東方所DASP-V10振動測試分析設備對N L50機床進行振（zhèn）動和動（dòng）剛度測試如圖20所示（shì）。S A型號主軸端（duān）振動頻譜如圖21所示，從圖中可以看出振動特征（zhēng）頻率為238Hz。振動在主切削力方向的動剛度曲線如圖22所示，從圖中可以看出在238Hz處有明顯的峰值，說明某一階固有頻率為238Hz。

S C 型號（hào）主軸端（duān）振動頻譜如圖23所（suǒ）示，從圖中可以（yǐ）看出無明顯的振動特征頻率。振動在主切（qiē）削力方向的動剛度曲線如圖（tú）24所示，從圖中可以看出在（zài）195Hz、278Hz 處有明顯的峰值（zhí），說明195H z

、278H z分別是結構的某階（jiē）固有頻率（lǜ）。

從切削振動測（cè）試和頻響函數測試發現，S A振動頻譜中有明顯的振動特征頻（pín）率238Hz，而S C 係列（liè）沒有；並（bìng）且在 S A 係（xì）列的（de）頻響曲（qǔ）線中看到明顯的固有頻率238Hz，而SC係列固（gù）有（yǒu）頻率為195Hz、

278Hz。