VDF-850 加工中心主軸單元結(jié)構(gòu)分析
2017-5-31 來源：湄洲灣職業(yè)技術(shù)學(xué)院 作者：齊曉霞
摘要：作為數(shù)控機(jī)床最主要的功能部件，主軸的性能對(duì)加工中心的安全及精度起著決定性作用。本文對(duì)VDF-850 立式加工中心的主軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)分析，并采用丹麥必凱公司的檢測(cè)裝置完成對(duì)主軸的振動(dòng)響應(yīng)試驗(yàn)，進(jìn)而判斷引起主軸振動(dòng)的振源。
關(guān)鍵詞：加工中心 主軸 振動(dòng) 響應(yīng)
引言
主軸作為加工中心的功能部件，是整套裝備中最重要的一種配件。它和刀具一起將主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為工件的軸向移動(dòng)，制成零件成品。主軸單元作為加工中心的關(guān)鍵性單元，包括主軸、軸承、裝在主軸上的傳動(dòng)帶輪、自動(dòng)換刀及準(zhǔn)停裝置等。加工中心的轉(zhuǎn)速高，功率大，在加工時(shí)不能進(jìn)行人工調(diào)整。這就要求主軸具有更好的回轉(zhuǎn)精度、抗振性能、熱穩(wěn)定性能、有較高的結(jié)構(gòu)剛度及精度的保持性[1]。主軸單元的工作性能對(duì)數(shù)控機(jī)床的功能性質(zhì)、零件品質(zhì)及加工效率有著非常明顯的作用。
1.主軸單元結(jié)構(gòu)分析
1.1 主軸單元主傳動(dòng)
主軸的傳動(dòng)單元將電機(jī)的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為刀庫軸的扭矩以及銑削力。因此，其變速區(qū)間要大，確保在零件加工時(shí)有適合的切削量；主軸單元要有優(yōu)良的抗振動(dòng)能力、受熱及受力時(shí)的形變能力，以確保產(chǎn)品的精密度。VDF-850 立式加工中心主傳動(dòng)采用 FANUC 交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)通過齒數(shù)比為 1:1 的齒形帶直接帶動(dòng)主軸，通過改變主、從動(dòng)帶輪直徑改變轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。主電機(jī)的角位移量通過光電編碼器的光電轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娒}沖當(dāng)量，輸出到數(shù)控系統(tǒng)，確保主軸的剛性攻絲及準(zhǔn)停。
1.2 主軸支承結(jié)構(gòu)
主軸的支承件是主軸系統(tǒng)的主要部件，主要指軸承及軸承座，其中軸承是中心。采用滾動(dòng)軸承的支承轉(zhuǎn)速和載荷的變化范圍大，有一定過盈量時(shí)也能穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)精度高，但是剛度不穩(wěn)定，容易振動(dòng)。滑動(dòng)軸承的支承抗振動(dòng)性能好，轉(zhuǎn)動(dòng)過程平穩(wěn)，但是制造和維修困難。VDF-850 加工中心中，主軸的前軸承是兩個(gè)串聯(lián)使用的主軸專用精密 P4 級(jí)角接觸軸承，型號(hào)為 7012A5TYSUMP4，主要承受較大的切削力。后軸承是用兩個(gè)背對(duì)背配置的精密 P4 級(jí)高速滾柱軸承，型號(hào)為 7011A5TYSUMP4，主要承受轉(zhuǎn)矩。高速精密角接觸軸承的質(zhì)量輕、膨脹系數(shù)低、硬度高，使其高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的離心力及熱溫升減少，轉(zhuǎn)速得以提高，達(dá)到 8000r ﹒ min-1。
1.3 主軸端部
主軸的前端用于裝夾銑刀，這就需要精確的定位，裝配要牢靠且拆裝簡(jiǎn)單容易，能夠傳送轉(zhuǎn)矩。VDF-850 加工中心主軸前端有 NO.40（錐度為 7:24）的錐孔，用于裝配刀桿，于錐形孔內(nèi)進(jìn)行定位。主軸部件的端面鍵將主軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳給刀具軸。刀柄及拉桿螺栓見圖 1、圖 2。
2.主軸空轉(zhuǎn)試驗(yàn)分析
2.1 試驗(yàn)方案
僅運(yùn)行主電動(dòng)機(jī)，做主軸的響應(yīng)試驗(yàn)。使主軸轉(zhuǎn)速從 45. r·min-1開 始 到 最 高 轉(zhuǎn) 速 8000 r·min-1結(jié) 束， 以200 ～ 500r·min-1的轉(zhuǎn)速級(jí)差進(jìn)行空轉(zhuǎn)，每級(jí)轉(zhuǎn)速的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間最少為 2 分鐘，在最高轉(zhuǎn)速時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間至少為 30 分鐘，測(cè)試時(shí)主軸軸承溫度值不能超過 60°。測(cè)量主軸前支撐位置在不同轉(zhuǎn)速下沿 X 軸、Y 軸、Z 軸的振動(dòng)加速度響應(yīng)[2-3]。對(duì)測(cè)試所得信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，判斷振動(dòng)是因系統(tǒng)內(nèi)部回轉(zhuǎn)零件不平衡引起的還是因傳動(dòng)系統(tǒng)外的其他振源引起的。將連接主軸和主電機(jī)的同步帶去掉，斷開主傳動(dòng)系統(tǒng)后再進(jìn)行響應(yīng)試驗(yàn)，進(jìn)一步確定外部振源的存在性。若是一直存在某一個(gè)振動(dòng)頻率，則可以認(rèn)定振動(dòng)是由外界源引起的。
2.2 試驗(yàn)條件
響應(yīng)試驗(yàn)使用的是丹麥必凱公司的一套檢測(cè)裝置。在主軸箱前軸承處安裝對(duì)環(huán)境噪聲敏感度較低的微型加速度計(jì)，連接 PULSE 平臺(tái)的 3560B/C/D 型數(shù)據(jù)采集前端，再與筆記本電腦點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直連，組成振動(dòng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖 3 所示
圖 3 振動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)圖
通 過 7700pulse 分 析 系 統(tǒng) 的 快 速 傅 里 葉 變 化（Fast FourierTransform）分析儀完成采樣參數(shù)的設(shè)置，如圖 4、圖 5 所示。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，采樣率應(yīng)大于被測(cè)信號(hào)頻率的 2 倍，才能避免頻率混疊現(xiàn)象，帶寬越大，所能顯示的信號(hào)頻率分量越豐富，也就能更加接近真實(shí)的信號(hào)波形。FFT 分析儀在測(cè)量主軸的振動(dòng)信號(hào)時(shí)所需的最小帶寬，被測(cè)信號(hào)最快上升時(shí)間為 25ms（10％～ 90％）：最高信號(hào)頻率f=0.5/25ms=200Hz，示波器帶寬 Span=1.0×200Hz=200Hz
VDF-850 主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速率在 3000r·min-1以下時(shí)，確定分析帶寬為 Span=200Hz；在 FFT 分析儀中，采樣頻率Fs=2.56Span，此時(shí)采樣頻率為 Fs=512Hz。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速超過3000r·min-1時(shí)，確定分析帶寬 Span=400Hz，取采樣頻率Fs=1000Hz。
2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析
在進(jìn)行響應(yīng)檢測(cè)試驗(yàn)前，應(yīng)令主軸無負(fù)荷轉(zhuǎn)動(dòng) 30 分鐘以上。轉(zhuǎn)速從 1000r·min-1開始到最高轉(zhuǎn)速 8000r·min-1結(jié)束，以 500r·min-1為間隔逐步升高，采集主軸箱前軸承處在不同轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)參數(shù)。由 B ＆ K 公司的 Pulse 測(cè)量系統(tǒng)顯示并記錄所得數(shù)據(jù)，收集到的部分轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)數(shù)據(jù)見表 1。
表 1 無負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的響應(yīng)數(shù)值
從檢測(cè)試驗(yàn)獲得的響應(yīng)數(shù)值即可斷定：
（1）在主軸的前支承處沿徑向的振動(dòng)速率達(dá)到極大值；
（2）從圖6可知，主軸轉(zhuǎn)速在1000～4800r·min-1時(shí)出現(xiàn)頻率為 44.68 ～ 48.64Hz 的振動(dòng)；當(dāng)轉(zhuǎn)速在 4900 ～ 8000r·min-1 時(shí)，出現(xiàn)頻率為 75.19 ～ 77.64Hz 的振動(dòng)。上述兩個(gè)頻率的振動(dòng)應(yīng)該是外部源引發(fā)的。
VDF-850 主軸部件總共兩個(gè)振源，頻率為 47.68Hz 和75.19Hz 左右，主軸結(jié)構(gòu)在這兩個(gè)頻段內(nèi)可能存在薄弱點(diǎn)。VDF-850 加工中心主要?jiǎng)恿υ从兄鬏S電機(jī)和冷卻泵電機(jī)，相關(guān)參數(shù)如表 2 所示。
表 2 VDF-850 使用電機(jī)的參數(shù)
從 VDF-850 加工中心電機(jī)的參數(shù)可知，冷卻泵電機(jī)的頻率為 50Hz，與 44.68 ～ 48.64Hz 相接近，是振源之一；從主軸轉(zhuǎn)速 - 頻率圖來看，轉(zhuǎn)速在 4800r·min-1以下出現(xiàn)頻率為44.68 ～ 48.64Hz 的振動(dòng)；轉(zhuǎn)速高于 4900r·min-1后，出現(xiàn)頻率為 75.19 ～ 77.64Hz 的振動(dòng)，與冷卻泵電機(jī)的頻率沒有關(guān)系。
3.結(jié)論
通過對(duì) VDF-850 加工中心進(jìn)行主軸空運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，分析試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：
（1）機(jī)床在空轉(zhuǎn)時(shí)存在頻率為 44.68 ～ 48.64Hz 和75.19 ～ 77.64Hz 的兩個(gè)強(qiáng)迫振動(dòng)。
（2）冷卻泵電機(jī)的自然頻率是 50Hz，與空轉(zhuǎn)響應(yīng)試驗(yàn)中出現(xiàn)的頻率 44.68 ～ 48.64Hz 相差不大，可認(rèn)為冷卻泵電機(jī)是引起機(jī)床主軸振動(dòng)的振源之一。
（3）機(jī)床主軸在頻率為 75.19 ～ 77.64Hz 的區(qū)間存在薄弱模態(tài)。
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