機床主軸動剛度試驗分析

韓玉穩， 楊 軍， 王 林， 董應明

（云南省機電一體化應用技術重點實驗室 云南省先進制造技術研究中心， 云南 昆明 650031）

0 引言

機床工作時，主軸受到靜態力和動態力的作用，動態力是一個變化的力，包括變化的切削力、主軸部件不平衡產生的交變力等。 在力的作用下，主軸產生振動，主軸振動會影響加工精度和工件的表面質量，刀具和主軸部件的壽命。通過動剛度試驗，掌握主軸的抗振性是否滿足設計和使用需要，確保機床的加工精度和可靠性。

1 主軸動剛度的定義和影響

主軸動剛度是指主軸在動載荷下抵抗變形的能力，即引起單位振幅所需要的動態力。主軸部件的設計不只要求具有一定的靜剛度，而且要求具有足夠的抑制各種干擾力引起振動的能力。

主軸動剛度對加工精度和機床性能的影響： ①工件的尺寸誤差和形狀誤差；②加工效率；③機床的壽命。

主軸動剛度試驗在實踐中有正弦絕對激振和脈沖激振兩種方法，本文的試驗采用脈沖激振方法，對某型號的臥式坐標鏜床進行主軸動剛度試驗，該機床屬于精加工機床，主電機功率為22kW，X、Y、Z 方向的最大切削抗力均為1500N，主軸采用油冷機冷卻。

2 主軸動剛度試驗

2.1 試驗內容及目的

通過對機床主軸系統在X 向、Y 向、Z 向分別進行脈沖激振，得到機床主軸系統在不同方向的傳遞函數，又通過對傳遞函數的分析， 得到機床主軸部件的最大動剛度和薄弱環節，分析主軸部件的動剛度是否匹配。

2.2 試驗參考依據

《金屬切削機床試驗規范和技術規范選編》。

測量裝置示意圖如圖1 所示，儀器配置原理圖如圖2所示。

圖1 脈沖激振試驗示意圖

圖2 脈沖激振試驗儀器配置圖

2.3 試驗條件和方法

2.3.1 試驗條件

試驗條件如下：

（1）試驗的機床為按相關國家、行業等標準檢驗合格的產品；

（2）試驗時，機床各運動部件不做任何進給或旋轉運動，機床通電，機床主電機冷卻風扇停止運轉；

（3）試驗時機床主軸不旋轉，在主軸上安裝Φ80 刀柄，刀柄端部不施加軸向力；

（4）激振點和拾振點都在Φ80 刀柄外圓上，拾振點的加速度傳感器盡量安裝在靠近安裝刀刃的位置；

（5）為消除噪聲干擾，采用5 次平均法消除隨機噪聲干擾；

（6）脈沖激振時，激振點和拾振點都盡量靠近，且激振方向和拾振方向相同；

（7）試驗前，對整套儀器設備進行校準。

2.3.2 儀器的參數設定、錘頭選取和錘擊力大小的確定

（1） 本試驗采用BK 公司的8207 力錘進行激振，4506B 三向加速度傳感器測量響應，3660C LAN-XI 數據采集前端及labshop 軟件分析、計算；

（2）分析帶寬設為1.6KHz，譜線數為1600，頻率分辨率為1Hz。 采用線性平均方式，5 次平均計算；

（3）試驗前儀器聯機完成后，可用不同材質的錘頭分別敲擊被測對象，觀察不同錘頭激起的頻率寬度，首先觀察力譜的衰減情況，并觀察響應、頻響函數和相干函數，確定選擇的錘頭硬度及敲擊力能夠激勵起分析帶寬的有效頻帶；

（4）本試驗選取的錘頭為硬塑料材質。

2.3.3 測試數據分析

（1）頻響函數（FRF）。FRF，它是結構的輸出響應和輸入激勵力之比。 將測量的時域數據通過快速傅立葉變換（FFT）從時域變換到頻域，經過變換，頻響函數最終呈現為復數形式，包括實部與虛部，或者是幅值與相位。

（2）動柔度。動柔度為結構測點的響應位移和輸入點激振力的傅里葉變換比值，其與動剛度為倒數關系。

2.3.4 測試數據計算。

動剛度可以通FRF 直接計算求出，或者通過動柔度求倒數得出。 本文僅以X 向測量數據為例說明。

圖3 X 軸FRF

圖4 X 軸動柔度曲線

圖5 X 軸相干函數

表1 主軸X向的動剛度

2.4 試驗結果

Y 向和Z 向FRF 見圖6～圖7，對采集到的數據處理，主軸各向的動剛度見表2。

圖6 主軸Y 向激振的頻響函數

圖7 主軸Z 向激振的頻響函數

表2 主軸各向的動剛度

2.5 結果分析

從表2 可知，主軸在X 方向頻率為31.0Hz，對應的動剛度為15.4 N/μm；在Y 方向頻率為40.0Hz，對應的動剛度為21.0 N/μm； 在Z 方向頻率為40.0Hz 對應的動剛度為19.0 N/μm。

主軸的一階頻率和動剛度值較低， 主軸的抗振性能較差。

3 結束語

本試驗介紹了某機床主軸動剛度的試驗方法，普通機床也可用同樣的試驗方法。通過機床主軸的動剛度試驗，了解掌握主軸的動態特性，優化改進設計機床主軸，提供機床的動態性能。