數(shù)控車(chē)床主軸靜動(dòng)態(tài)特性研究

■ 紐威機(jī)床設(shè)計(jì)研究院 （江蘇蘇州 100007） 盧 強(qiáng)

■ 北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所 （山西太原 030006） 左 鋒

■ 紐威數(shù)控裝備（蘇州）有限公司 （江蘇 100007） 朱 軍

目前某公司生產(chǎn)批量較大的NL50系列車(chē)床，其中的SA型號(hào)機(jī)床存在不同程度的振刀現(xiàn)象，而SC型號(hào)沒(méi)有振刀現(xiàn)象。機(jī)床振動(dòng)的原因是非常復(fù)雜的，本文通過(guò)對(duì)主軸箱部件進(jìn)行靜力學(xué)、模態(tài)及振動(dòng)分析，對(duì)比SA和SC兩個(gè)型號(hào)主軸箱部件自身靜態(tài)剛度、振動(dòng)特性。同時(shí)也對(duì)機(jī)床進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試、頻響函數(shù)測(cè)試，通過(guò)對(duì)比，分析了產(chǎn)生振動(dòng)的主要原因。

1. 軸承剛度計(jì)算及分析

車(chē)床NL50標(biāo)準(zhǔn)機(jī)型內(nèi)部構(gòu)造為軸承聯(lián)接主軸與外殼結(jié)構(gòu)，如下圖1所示。SA與SC型號(hào)區(qū)別主要是箱體結(jié)構(gòu)不同。其中主軸前端軸承為三列7022A5，中預(yù)緊，為DBD組合。后軸承為兩列NSK7020C，中預(yù)緊，為DB組合。

前端DBD組合后，軸向剛度：Sa=1.48×441=661.56 N/μm；徑向剛度：Sr=2×1.54×441=1 358N/μm。后端DB組合后，軸向剛度：Sa=187N/μm；徑向剛度：Sr=5×Sa=935N/μm。按照上述的計(jì)算的剛度數(shù)值，在有限元軟件中對(duì)軸承材料進(jìn)行調(diào)整模擬，前軸承DBD組合后，最終得到的結(jié)果如表1所示，分析結(jié)果如圖2所示，最終使得該模型的剛度與實(shí)際相近。

經(jīng)過(guò)多次數(shù)據(jù)調(diào)整，前端軸承的模型剛度（徑向剛度和軸向剛度）與實(shí)際軸承的剛度幾乎一致，達(dá)到了軸承模擬的效果。

圖1 NL50系列機(jī)型主軸部件軸承布置

表1 前軸承徑向剛度和軸向剛度參數(shù)

圖2 前軸向剛度模擬數(shù)據(jù)

同樣，按照剛度計(jì)算方法進(jìn)行材料調(diào)整，后軸承DB組合后最終得到的結(jié)果如表2所示，分析結(jié)果如圖3所示。

因?yàn)楹筝S承NSK7020C不承受軸向力，所以軸向剛度暫時(shí)忽略。

2. 主軸箱部件的靜力學(xué)分析

按照實(shí)際箱體載荷及約束條件，利用有限元軟件分別對(duì)NL502SA和NL502SC進(jìn)行靜力學(xué)分析，在距離卡盤(pán)端面150mm處施加切削載荷，主切削力為1 800N，徑向力為550N。分別提取整體部件、主軸箱和工件端面的分析結(jié)果，其中圖4、圖5為NL502SA的結(jié)果，圖6、圖7為NL502SC的結(jié)果。

圖3 后軸向剛度模擬數(shù)據(jù)

圖4 NL502SA主軸箱部件變形

表2 后軸承徑向剛度和軸向剛度參數(shù)

從上面的分析可以看出SA型號(hào)的主軸箱部件變形為0.051 3mm，主軸箱變形為0.008 2mm。SC型號(hào)的主軸箱部件變形為0.048mm，主軸箱變形為0.006mm。靜剛度對(duì)比如圖8所示，SC型號(hào)的靜剛度明顯高于SA型號(hào)。

3. 主軸箱部件的模態(tài)分析

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

在相同約束條件下（約束螺栓孔），分別對(duì)NL502SA和NL502SC進(jìn)行約束模態(tài)分析，分別提取對(duì)切削振動(dòng)影響較大的幾階固有頻率振型云圖，其中圖9～圖11為NL502SA的結(jié)果，圖12～圖14為NL502SC的結(jié)果。

從模態(tài)分析結(jié)果可以看出，SA主軸箱部件固有頻率低于SC，振型類(lèi)似。其中第1、第2階為帶輪擺動(dòng)，對(duì)加工振動(dòng)影響較小，沒(méi)有列舉。第3～第5階振型為卡盤(pán)和工件的擺動(dòng)，其中卡盤(pán)和工件的擺動(dòng)對(duì)加工的振動(dòng)影響較大，對(duì)比如圖15所示。

圖8 SA與SC型號(hào)的靜剛度對(duì)比

圖9 NL502SA第3階振型

圖10 NL502SA第4階振型

圖11 NL502SA第5階振型

圖12 NL502SC第3階振型

圖13 NL502SC第4階振型

圖14 NL502SC第5階振型

4. 主軸箱部件的動(dòng)態(tài)特性分析

在相同約束條件下（約束螺栓孔），在距離卡盤(pán)端面150mm處施加切削載荷，主切削力為1 800N，徑向力為550N，并且分別對(duì)NL502SA和NL502SC進(jìn)行諧響應(yīng)分析，頻率范圍為100～300Hz，頻率間隔為2Hz，初始相位為0°。圖16為NL502SA主軸箱部件的諧響應(yīng)曲線，圖17為相位變化曲線。

從圖16曲線中可以看出，NL502SA主軸箱在215Hz、220Hz、238Hz和255Hz時(shí)，振幅增大，并且從圖17可以看出此時(shí)相位發(fā)生180°的變化，說(shuō)明這些頻率是結(jié)構(gòu)的一些固有頻率。

NL502SC主軸箱部件的諧響應(yīng)曲線如圖18所示，相位變化曲線如圖19所示。

從上面的圖18曲線中可以看出，NL502SC主軸箱在174Hz、214Hz、222Hz和254Hz時(shí)，振幅增大，并且從圖19可以看出此時(shí)相位發(fā)生180°的變化。說(shuō)明這些頻率是結(jié)構(gòu)的一些固有頻率。

圖15 SA與SC型號(hào)模態(tài)對(duì)比

圖16 NL502SA諧響應(yīng)曲線

圖17 NL502SA相位變化

圖18 NL502SC諧響應(yīng)曲線

圖19 NL502SC相位變化

5. 機(jī)床切削振動(dòng)測(cè)試

利用東方所DASP-V10振動(dòng)測(cè)試分析設(shè)備對(duì)NL50機(jī)床進(jìn)行振動(dòng)和動(dòng)剛度測(cè)試如圖20所示。SA型號(hào)主軸端振動(dòng)頻譜如圖21所示，從圖中可以看出振動(dòng)特征頻率為238Hz。振動(dòng)在主切削力方向的動(dòng)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(shuō)明某一階固有頻率為238Hz。

SC型號(hào)主軸端振動(dòng)頻譜如圖23所示，從圖中可以看出無(wú)明顯的振動(dòng)特征頻率。振動(dòng)在主切削力方向的動(dòng)剛度曲線如圖24所示，從圖中可以看出在195Hz、278Hz處有明顯的峰值，說(shuō)明195Hz、278Hz分別是結(jié)構(gòu)的某階固有頻率。

從切削振動(dòng)測(cè)試和頻響函數(shù)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，SA振動(dòng)頻譜中有明顯的振動(dòng)特征頻率238Hz，而SC系列沒(méi)有；并且在SA系列的頻響曲線中看到明顯的固有頻率238Hz，而SC系列固有頻率為195Hz、278Hz。

6. 結(jié)語(yǔ)

本文分別對(duì)NL50系列的SA和SC型號(hào)機(jī)床的主軸箱進(jìn)行了靜力學(xué)分析、模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，并對(duì)機(jī)床進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)試和頻響測(cè)試，主要結(jié)論：

圖20 NL50機(jī)床進(jìn)行振動(dòng)和動(dòng)剛度測(cè)試

圖21 NL502SA振動(dòng)頻譜圖

圖22 NL502SA頻響曲線

圖23 NL502SC振動(dòng)頻譜圖

圖24 NL502SC頻響曲線

（1）從靜力學(xué)分析結(jié)果可以看出SC型號(hào)的靜剛度要明顯高于SA型號(hào)。

（2）從模態(tài)分析結(jié)果可以看出SA型號(hào)和SC型號(hào)振型較接近，但SC型號(hào)的固有頻率要高于SA型號(hào)。

（3）從諧響應(yīng)分析結(jié)果可以看出，NL502SA在238Hz 處有明顯峰值，而NL502SC主軸箱沒(méi)有該頻率。

（4）從振動(dòng)測(cè)試可以看出，SA型號(hào)的振動(dòng)特征頻率為238Hz左右，而從頻響曲線可以看出，SA型號(hào)的某一階固有頻率為238Hz，從模態(tài)分析可以發(fā)現(xiàn)SA主軸箱部件的第五階固有頻率為238Hz，驗(yàn)證了有限元模型的正確性，同時(shí)也確定了SA型號(hào)振刀的原因是切削激振頻率與結(jié)構(gòu)的固有頻率一致。

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