JY-5數控銑床主軸動態特性分析

□ 羅生梅 □ 喬田忠

1.蘭州理工大學 數字制造技術與應用省部共建教育部重點實驗室 蘭州 730050

2.蘭州理工大學 機電工程學院 蘭州 730050

從20世紀90年代開始，高速切削技術已經進入了工業應用階段，并取得了顯著的經濟效益。與普通切削相比，高速切削能夠提高加工效率，改善表面加工質量，顯著提高加工精度，正是基于這些優勢，高速切削技術在國內外已經成為重要的研究領域之一［1］。作為高速切削的核心功能部件，主軸的動態性能直接影響到機床的加工質量和生產效率，也是影響機床加工精度的重要因素。因此，對主軸進行動態分析，研究主軸的模態特性、諧響應特性，對于提高機床的整體工作性能是很有必要的［2，3］，也為主軸的改進優化提供了技術資料。

1 主軸結構簡介

主軸是機床非常重要的部件之一，它的主要功能是帶動刀具高速旋轉，完成切削加工任務。在切削過程中，主軸主要承受切削力和來自機床的驅動力［4］。現代數控機床功率大，切削速度快，主軸高速旋轉，由機床本身的可靠性來保證加工質量，因此主軸必須具有良好的靜動態特性。

本文以JY-5數控銑床的主軸為研究對象，主軸結構如圖1所示。

該主軸材料為40Cr，由三組軸承支承，整個支承結構采用一端固定一端浮動的方式，支承1為固定端，支承2和3為浮動端。支承1、2均為單列角接觸球軸承，采用背靠背的安裝方式，支承3采用單列圓柱滾子軸承。主軸的最高轉速為12 000 r/min，對應的主軸頻率為200 Hz，進給系統的快速移動速度為50 m/min。

▲圖1 主軸結構

2 主軸的模態分析

模態分析主要用于確定結構或者系統的模態參數，模態參數包括：固有頻率、模態振型、模態剛度和模態阻尼等，其中固有頻率和模態振型是最重要的模態參數［5］。通過模態分析可確定主軸的固有頻率，避免施加在主軸上的載荷頻率與主軸的固有頻率相同或接近而產生共振，進而造成巨大損失；同時模態分析也是其它動力學分析（如瞬態分析、譜分析、諧響應分析等）的基礎。

2.1 主軸有限元模型的建立

在對主軸進行模態分析時，需要先建立主軸的有限元模型，具體步驟如下：

（1）建立主軸三維實體模型。由于主軸結構較為復雜，先采用Pro/E軟件建立主軸三維實體模型，然后導入到ANSYS軟件。

（2）對主軸進行單元劃分。首先定義材料屬性，設置主軸材料的彈性模量、泊松比和密度；然后選擇Solid45單元進行單元劃分，共生成3 125個單元，5 216個節點；最后選用ANSYS軟件中的彈簧單元來模擬軸承支承，彈簧單元的剛度值即為軸承的徑向剛度。

▲圖3 主軸前六階振型圖

（3） 施 加 載 荷和約束條件。由圖1可知，主軸支承1處為固定端，主軸在此處與彈簧單元相連接的節點的自由度被全部約束；支承2、3處為浮動端，在主軸與彈簧單元相連接的節點上施加UY、UZ方向的約束，彈簧的另一端完全固接。構建的主軸有限元模型如圖2所示。

▲圖2 主軸有限元模型

2.2 分析結果

應用ANSYS軟件對主軸有限元模型進行分析，并提取主軸前六階的振型，如圖3所示。

由主軸六階振型圖可知，主軸的二、三階頻率大小基本相等，振型正交；四、五階頻率大小基本相等，振型正交。

根據轉速與頻率的關系（n=60f），可得出主軸各階固有頻率對應的轉速，見表1。

表1 主軸固有頻率－轉速對照表

由表1可以看出，主軸除第一階固有頻率外，其它固有頻率所對應的轉速最小為47 639 r/min，而機床工作時主軸的最高轉速為12 000 r/min，對應主軸頻率為200 Hz，比主軸固有頻率對應的最小轉速小很多，所以主軸在高速運轉時不會產生共振現象，主軸的工作狀態是安全的。

3 主軸諧響應特性分析

在實際工作中，主軸所受的載荷是動態變化的，主軸在動態載荷下的抗振能力更能體現出主軸動態性能的優劣，因此有必要對主軸進行諧響應分析。在進行諧響應分析時，選取主軸前端為研究對象，得到主軸的振幅－頻率響應曲線。通過觀察振幅－頻率響應曲線，能更好地了解主軸在外加動態載荷作用下的抗振性能，以及其設計能否滿足工作要求。

主軸前端安裝刀具處受到來自工件的切削載荷，所以在主軸前端安裝刀具處施加大小為1 000 N的載荷來模擬切削工況。根據前面對主軸模態特性的研究，已經得到了主軸的前六階固有頻率值，其中二階固有頻率約為793 Hz，所以設置載荷的頻率范圍為700～900 Hz，在該載荷作用下對主軸進行諧響應分析，研究在二階固有頻率附近主軸的振動特性。圖4為在切削載荷作用下主軸的諧響應分析結果。

由圖4可以看出，主軸的最大振動峰值出現在頻率為793 Hz處，振幅值為6 mm，而在200 Hz頻率附近主軸的振幅很小，所以不會對主軸產生太大影響。

4 結束語

▲圖4 主軸前端徑向振幅－頻率圖

筆者以JY－5數控銑床型號為研究對象，對其主軸建立有限元模型，進行了模態和諧響應特性分析。通過模態分析，得到主軸的前六階固有頻率和相應轉速，發現主軸最高工作轉速比臨界轉速小很多，從而得出主軸不會產生共振等現象，主軸的工作狀態是安全可靠的。通過諧響應分析，進一步研究了主軸在外加載荷下的振動特性，發現在主軸的工作頻率范圍內，主軸的振動量很小，不會對機床的加工精度產生太大影響，能很好地滿足設計要求。

［1］ 張伯霖，張慶懂，陳長年.高速切削技術及應用［M］.北京：機械工業出版社,2009.

［2］ 解文志.高速電主軸動靜態特性的有限元分析［D］.哈爾濱:哈爾濱工業大學，2006.

［3］ 秦軍軍，尹陽.加工中心電主軸結構設計及性能分析［D］.成都：西華大學，2012.

［4］ 張志禮，張義民.數控機床性能分析和可靠性設計［M］.北京：機械工業出版社，2011.

［5］ 張海偉.數控機床動態性能的分析及結構優化［J］.制造技術與機床，2006（5）：47－48.