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數控車床主軸靜（jìng）動態特性研究

2020-6-20 來源：- 作（zuò）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（zhǔ）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（xíng）號主軸箱部件的靜（jìng）態變形、動態剛（gāng）度、振型（xíng）和振動（dòng）特性。並通過頻響函數測試（shì），驗證（zhèng）了有限元分析結果，分析出振動（dòng）原（yuán）因。

目前某公司生（shēng）產批量較大的N L50係列車床（chuáng），其中的SA型號機床存在不同程度（dù）的振刀現象，而SC型號沒有振刀現象。機床振動的原因是非常複雜的，本（běn）文通（tōng）過對（duì）主軸箱部件（jiàn）進行靜力學、模態及振動分析，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。同時也對機床進行振動測試、頻響函數測試，通過對比，分（fèn）析了產（chǎn）生振動的主（zhǔ）要原因。

1. 軸承剛度計算及（jí）分析

車床N L50標準機型內部構造（zào）為軸承聯接主（zhǔ）軸與外殼結構，如下圖（tú）1所示。SA與SC型號區別主（zhǔ）要是箱體結構不同。其中主軸前端軸承為（wéi）三列7022A5，中預（yù）緊，為DBD組合。後軸承為兩列（liè）NSK7020C，中預緊，為DB組合。前端DBD組合後，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：Sa= 187N /μm ；徑向剛度：S r =5×Sa=935N/μm。

按照上述的計算（suàn）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（chéng）DBD組合後，最終得到的結果如表（biǎo）1所示，分析結果如圖（tú）2所示，最終使得（dé）該模型的剛度與實際相近。經過多次數據調整，前端（duān）軸承的模型剛度（徑向剛度和軸向剛度）與實際軸承的（de）剛度幾（jǐ）乎一致，達到了（le）軸承模擬的效果。

圖1　NL50係列機（jī）型（xíng）主軸部件軸（zhóu）承布置

表1　前軸承徑向剛（gāng）度和軸向剛度參數

表1 前軸承徑向剛度和軸向剛度參數

圖2 前軸向剛度模擬（nǐ）數據

同樣，按照剛度計算方法進行材料調整（zhěng），後軸承DB組合後最終得（dé）到的結果如（rú）表2所示，分析結果如圖3示（shì）。因為後軸承NSK7020C不（bú）承受軸向力，所以軸向剛度暫時忽略。

2. 主軸箱部件的靜力學分析

按照實際箱體載荷及約束條件，利用（yòng）有限元軟件分別對N L502S A和N L502S C進（jìn）行靜力（lì）學分析，在距離卡盤端麵150mm處施加切削載荷，主（zhǔ）切削（xuē）力為1800 N ，徑（jìng）向力為 550N 。分別提取整體部件、主軸箱和工件端（duān）麵的分析（xī）結果，其中圖4、圖5為N L502SA 的結果，圖（tú） 6 、圖 7 為NL502SC的結果。

圖3 後（hòu）軸向（xiàng）剛度模擬數據

圖4　NL502SA主軸箱部（bù）件變形

表（biǎo）2後軸承徑向剛度和軸（zhóu）向剛度參數

從上麵的分析可以看出SA型號的主軸箱部件變形為0.051 3mm，主軸箱變形為 0.008 2m m。S C型（xíng）號的主軸箱（xiāng）部件變形為0.048mm，主軸箱變形（xíng）為0.006mm。靜（jìng）剛度（dù）對比如圖8所示，SC型號的（de）靜（jìng）剛度明顯（xiǎn）高於SA型號。

3. 主軸箱部件的模態分析

在相同約束條件下（約束（shù）螺栓孔），分別對N L502S A和N L502S C進行約（yuē）束模態（tài）分析，分別提取對切削振動影響較大的幾階固有頻率振型雲圖，其中圖9～圖11為NL502SA的結果，圖

12～圖14為NL502SC的結果（guǒ）。

圖5 NL502SA 主軸箱變（biàn）形

圖6　NL502SC主軸箱部件變形（xíng）

圖7　NL502SC主軸箱（xiāng）變形

圖（tú）8　SA與SC型號的靜剛（gāng）度對（duì）比

從模態分析（xī）結果可以看出，SA主（zhǔ）軸箱部件（jiàn）固有頻率低於SC，振型類似。其中第（dì）1、第2階為帶輪擺（bǎi）動，對加工（gōng）振動影響較小，沒有列舉。第3～第5階振（zhèn）型為卡盤和工件的擺（bǎi）動，其中卡盤和（hé）工件的擺動對加工的振動影響（xiǎng）較大，對比如圖15所示。

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（xíng）

圖13 NL502SC第（dì）4階振型

圖14 NL502SC第5階（jiē）振型

圖15　SA與SC型號模態對比

4. 主軸箱部件的動（dòng）態特性

分析在相同約束條件下（約束螺栓孔），在距離卡盤端麵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（bié）對NL502SA和NL502SC進行諧（xié）響應分析，頻率範圍為100

～300H z，頻率間隔為2H z，初始相位為0°。圖16為NL502SA主軸箱部件的（de）諧響應曲線，圖17為相位變化曲線。

從圖（tú）16曲線中（zhōng）可以看出，NL502SA主軸箱在215Hz、220H z、238H z和255H z時，振幅增大，並（bìng）且從圖17可以看出此時相位發生180°的變化，說明這些頻率是結構的一些（xiē）固有頻率（lǜ）。N L502S C

主軸箱部件的諧響（xiǎng）應曲線如圖18所示，相（xiàng）位變化曲線如圖19所示（shì）。

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（zhèn）幅增大，並且從圖19可以看出此時相位發生180°的變化。說明這些頻率是結構的一些固有頻率。

圖16　NL502SA諧響應（yīng）曲線

圖17NL502SA相位變化

圖18 NL502SC諧響應曲線

圖19 NL502SC相位變化

5. 機床切削振動測試

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

S C 型號主軸端振動頻（pín）譜如圖（tú）23所示，從圖中可以看（kàn）出無明顯的振動特征頻率（lǜ）。振動在主切削（xuē）力方向的動剛（gāng）度曲線如圖24所示，從（cóng）圖中可（kě）以看出在195Hz、278Hz 處有明顯的峰值，說明195H z

、278H z分別是結構（gòu）的某階固有頻率（lǜ）。

從切削振（zhèn）動（dòng）測試（shì）和（hé）頻響函數測試發現，S A振動頻譜中有（yǒu）明顯的振動特征頻率238Hz，而S C 係列沒有；並且在 S A 係列（liè）的頻響曲線中看到明顯（xiǎn）的固有（yǒu）頻率238Hz，而SC係列固有頻率為195Hz、

278Hz。