數控車床主軸靜動態特性研究
2020-6-20 來源：- 作者：-
摘要：本文針對某公司生產的NL50系列車床SA和SC兩個型號的主軸箱部件進行靜力學、模態及振動分析，對比SA和SC兩個型號主軸箱部件的靜態變形、動態剛度、振型和振動特性。并通過頻響函數測試，驗證了有限元分析結果，分析出振動原因。
目前某公司生產批量較大的N L50系列車床，其中的SA型號機床存在不同程度的振刀現象，而SC型號沒有振刀現象。機床振動的原因是非常復雜的，本文通過對主軸箱部件進行靜力學、模態及振動分析，對比SA和SC兩個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，分析了產生振動的主要原因。
1. 軸承剛度計算及分析
車床N L50標準機型內部構造為軸承聯接主軸與外殼結構，如下圖1所示。SA與SC型號區別主要是箱體結構不同。其中主軸前端軸承為三列7022A5，中預緊，為DBD組合。后軸承為兩列NSK7020C，中預緊，為DB組合。前端DBD組合后 ， 軸向剛度：Sa= 1.48×441= 661 . 56N/μm ； 徑向剛度 ：S r =2×1.54×441=1 358N/μm。后端 D B 組合后 ， 軸向剛度：Sa= 187N /μm ； 徑向剛度 ：S r =5×Sa=935N/μm。
按照上述的計算的剛度數值，在有限元軟件中對軸承材料進行調整模擬，前軸承DBD組合后，最終得到的結果如表1所示，分析結果如圖2所示，最終使得該模型的剛度與實際相近。經過多次數據調整，前端軸承的模型剛度（徑向剛度和軸向剛度）與實際軸承的剛度幾乎一致，達到了軸承模擬的效果。
圖1 NL50系列機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
表1 前軸承徑向剛度和軸向剛度參數
圖2 前軸向剛度模擬數據
同樣，按照剛度計算方法進行材料調整，后軸承DB組合后最終得到的結果如表2所示，分析結果如圖3示。因為后軸承NSK7020C不承受軸向力，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，利用有限元軟件分別對N L502S A和N L502S C進行靜力學分析，在距離卡盤端面150mm處施加切削載荷，主切削力為1800 N ，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果，其中圖4、圖5為N L502SA 的結果，圖 6 、圖 7 為NL502SC的結果。
圖3 后軸向剛度模擬數據
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
從上面的分析可以看出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型號的主軸箱部件變形為0.048mm，主軸箱變形為0.006mm。靜剛度對比如圖8所示，SC型號的靜剛度明顯高于SA型號。
3. 主軸箱部件的模態分析
在相同約束條件下（約束螺栓孔），分別對N L502S A和N L502S C進行約束模態分析，分別提取對切削振動影響較大的幾階固有頻率振型云圖，其中圖9～圖11為NL502SA的結果，圖
12～圖14為NL502SC的結果。
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
圖8 SA與SC型號的靜剛度對比
從模態分析結果可以看出，SA主軸箱部件固有頻率低于SC，振型類似。其中第1、第2階為帶輪擺動，對加工振動影響較小，沒有列舉。第3～第5階振型為卡盤和工件的擺動，其中卡盤和工件的擺動對加工的振動影響較大，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
圖13 NL502SC第4階振型
圖14 NL502SC第5階振型
圖15 SA與SC型號模態對比
4. 主軸箱部件的動態特性
分析在相同約束條件下（約束螺栓孔），在距離卡盤端面150mm處施加切削載荷，主切削力為 1800 N ，徑向力為 5 5 0 N ，并且分別對NL502SA和NL502SC進行諧響應分析，頻率范圍為100
～300H z，頻率間隔為2H z，初始相位為0°。圖16為NL502SA主軸箱部件的諧響應曲線，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、220H z、238H z和255H z時，振幅增大，并且從圖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固有頻率。N L502S C
主軸箱部件的諧響應曲線如圖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、214H z、222H z和254H z時，振幅增大，并且從圖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振動測試分析設備對N L50機床進行振動和動剛度測試如圖20所示。S A型號主軸端振動頻譜如圖21所示，從圖中可以看出振動特征頻率為238Hz。振動在主切削力方向的動剛度曲線如圖22所示，從圖中可以看出在238Hz處有明顯的峰值，說明某一階固有頻率為238Hz。
S C 型號主軸端振動頻譜如圖23所示，從圖中可以看出無明顯的振動特征頻率。振動在主切削力方向的動剛度曲線如圖24所示，從圖中可以看出在195Hz、278Hz 處有明顯的峰值，說明195H z
、278H z分別是結構的某階固有頻率。
從切削振動測試和頻響函數測試發現，S A振動頻譜中有明顯的振動特征頻率238Hz，而S C 系列沒有；并且在 S A 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。
圖20 NL50機床進行振動和動剛度測試
圖21 NL502SA振動頻譜圖
圖22 NL502SA頻響曲線
圖23 NL502SC振動頻譜圖
圖24 NL502SC頻響曲線
6. 結語
本文分別對NL50系列的SA和SC型號機床的主軸箱進行了靜力學分析、模態分析和諧響應分析，并對機床進行了振動測試和頻響測試，主要結論：
來源：
紐威機床設計研究院 （江蘇蘇州 100007） 盧強
北方自動控制技術研究所?。ㄉ轿魈?30006） 左鋒
紐威數控裝備（蘇州）有限公司?。ńK 100007） 朱軍
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