JY-5數(shù)控銑床主軸動(dòng)態(tài)特性分析
發(fā)布時(shí)間：2021-04-11 20:50:04 點(diǎn)擊率：
從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，高速切削技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入 了工業(yè)應(yīng)用階段，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。與普通切 削相比，高速切削能夠提高加工效率，改善表面加工質(zhì) 量，顯著提高加工精度，正是基于這些優(yōu)勢(shì)，高速切削 技術(shù)在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)成為重要的研究領(lǐng)域之_[1]。作為 高速切削的核心功能部件，主軸的動(dòng)態(tài)性能直接影響 到機(jī)床的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率，也是影響機(jī)床加工精 度的重要因素。因此，對(duì)主軸進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，研究主軸 的模態(tài)特性、諧響應(yīng)特性，對(duì)于提高機(jī)床的整體工作性 能是很有必要的[2,3]，也為主軸的改進(jìn)優(yōu)化提供了技術(shù) 資料。
1主軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介
主軸是機(jī)床非常重要的部件之_，它的主要功能 是帶動(dòng)刀具高速旋轉(zhuǎn)，完成切削加工任務(wù)。在切削過(guò)程 中，主軸主要承受切削力和來(lái)自機(jī)床的驅(qū)動(dòng)力W?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床功率大，切削速度快，主軸高速旋轉(zhuǎn)，由機(jī)床 本身的可靠性來(lái)保證加工質(zhì)量，因此主軸必須具有良 好的靜動(dòng)態(tài)特性。
本文以JY-5數(shù)控銑床的主軸為研究對(duì)象，主軸結(jié) 構(gòu)如圖1所示。
該主軸材料為40Cr，由三組軸承支承，整個(gè)支承 結(jié)構(gòu)采用_端固定_端浮動(dòng)的方式，支承1為固定端， 支承2和3為浮動(dòng)端。支承1、2均為單列角接觸球軸 承，采用背靠背的安裝方式，支承3采用單列圓柱滾子 軸承。主軸的高轉(zhuǎn)速為12 000 r/min，對(duì)應(yīng)的主軸頻 率為200 Hz,進(jìn)給系統(tǒng)的快速移動(dòng)速度為50 m/min。
2主軸的模態(tài)分析
模態(tài)分析主要用于確定結(jié)構(gòu)或者系統(tǒng)的模態(tài)參 數(shù)，模態(tài)參數(shù)包括：固有頻率、模態(tài)振型、模態(tài)剛度和模 態(tài)阻尼等，其中固有頻率和模態(tài)振型是重要的模態(tài) 參數(shù)[5]。通過(guò)模態(tài)分析可確定主軸的固有頻率，避免施 加在主軸上的載荷頻率與主軸的固有頻率相同或接近 而產(chǎn)生共振，進(jìn)而造成巨大損失；同時(shí)模態(tài)分析也是其 它動(dòng)力學(xué)分析（如瞬態(tài)分析、譜分析、諧響應(yīng)分析等）的 基礎(chǔ)。
2.1 主軸有限元模型的建立
在對(duì)主軸進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，需要先建立主軸的有 限元模型，具體步驟如下：
(1)建立主軸三維實(shí)體模型。由于主軸結(jié)構(gòu)較為 復(fù)雜，先采用Pro/E軟件建立主軸三維實(shí)體模型，然后 導(dǎo)入到ANSYS軟件。
(2)對(duì)主軸進(jìn)行單元?jiǎng)澐?。首先定義材料屬性，設(shè) 置主軸材料的彈性模量、泊松比和密度；然后選擇Solid45單元進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，共生? 125個(gè)單元，5 216個(gè)節(jié)點(diǎn)；后選用ANSYS軟件中的彈簧單元來(lái)模擬軸 承支承，彈簧單元的剛度值即為軸承的徑向剛度。
(3)施加載荷
和約束條件。由圖1可知，主軸支承1處為固定端，主軸在此處與彈簧單元相連接的節(jié)點(diǎn)的自由度被全部約束；支承2、3處為浮動(dòng)端，在主軸與彈簧單元相連接的節(jié)點(diǎn)上施加UY、UZ方向的約束，彈簧的另一端完全固接。構(gòu)建的主軸有限元模 型如圖2所示。
2.2分析結(jié)果
應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)主軸有限元模型進(jìn)行分析，并 提取主軸前六階的振型，如圖3所示。
由主軸六階振型圖可知，主軸的二、三階頻率大小 基本相等，振型正交；四、五階頻率大小基本相等，振型 正交。
根據(jù)轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系（n=60/)，可得出主軸各階固有頻率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，見(jiàn)表1。
表1主軸固有頻率-轉(zhuǎn)速對(duì)照表
階次
一
二
三
四
五
六
頻率f/Hz
0
793.987
794.144
950.963
951.38
1 466.06
轉(zhuǎn)速 n/(r.min-1)
0
47 639
47 648
57 057
57 082
87 963
由表1可以看出，主軸除第一階固有頻率外，其它 固有頻率所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速小為47 639 r/min,而機(jī)床工 作時(shí)主軸的高轉(zhuǎn)速為12 000 r/min，對(duì)應(yīng)主軸頻率為 200 Hz，比主軸固有頻率對(duì)應(yīng)的小轉(zhuǎn)速小很多，所以 主軸在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，主軸的工作狀 態(tài)是安全的。
3主軸諧響應(yīng)特性分析
在實(shí)際工作中，主軸所受的載荷是動(dòng)態(tài)變化的，主 軸在動(dòng)態(tài)載荷下的抗振能力更能體現(xiàn)出主軸動(dòng)態(tài)性能 的優(yōu)劣，因此有必要對(duì)主軸進(jìn)行諧響應(yīng)分析。在進(jìn)行諧 響應(yīng)分析時(shí)，選取主軸前端為研究對(duì)象，得到主軸的振 幅-頻率響應(yīng)曲線。通過(guò)觀察振幅-頻率響應(yīng)曲線，能 更好地了解主軸在外加動(dòng)態(tài)載荷作用下的抗振性能， 以及其設(shè)計(jì)能否滿足工作要求。
主軸前端安裝刀具處受到來(lái)自工件的切削載荷， 所以在主軸前端安裝刀具處施加大小為1 000 N的載 荷來(lái)模擬切削工況。根據(jù)前面對(duì)主軸模態(tài)特性的研究， 已經(jīng)得到了主軸的前六階固有頻率值，其中二階固有 頻率約為793 Hz，所以設(shè)置載荷的頻率范圍為700~ 900 Hz，在該載荷作用下對(duì)主軸進(jìn)行諧響應(yīng)分析，研究 在二階固有頻率附近主軸的振動(dòng)特性。圖4為在切削 載荷作用下主軸的諧響應(yīng)分析結(jié)果。
由圖4可以看出，主軸的大振動(dòng)峰值出現(xiàn)在頻 率為793 Hz處，振幅值為6 mm，而在200 Hz頻率附 近主軸的振幅很小，所以不會(huì)對(duì)主軸產(chǎn)生太大影響。
4結(jié)束語(yǔ)
筆者以JY-5數(shù)控銑床型號(hào)為研究對(duì)象，對(duì)其主 軸建立有限元模型，進(jìn)行了模態(tài)和諧響應(yīng)特性分析。通
過(guò)模態(tài)分析，得到主軸的前六階固有頻率和相應(yīng)轉(zhuǎn)速
1主軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介
主軸是機(jī)床非常重要的部件之_，它的主要功能 是帶動(dòng)刀具高速旋轉(zhuǎn)，完成切削加工任務(wù)。在切削過(guò)程 中，主軸主要承受切削力和來(lái)自機(jī)床的驅(qū)動(dòng)力W?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床功率大，切削速度快，主軸高速旋轉(zhuǎn)，由機(jī)床 本身的可靠性來(lái)保證加工質(zhì)量，因此主軸必須具有良 好的靜動(dòng)態(tài)特性。
本文以JY-5數(shù)控銑床的主軸為研究對(duì)象，主軸結(jié) 構(gòu)如圖1所示。
該主軸材料為40Cr，由三組軸承支承，整個(gè)支承 結(jié)構(gòu)采用_端固定_端浮動(dòng)的方式，支承1為固定端， 支承2和3為浮動(dòng)端。支承1、2均為單列角接觸球軸 承，采用背靠背的安裝方式，支承3采用單列圓柱滾子 軸承。主軸的高轉(zhuǎn)速為12 000 r/min，對(duì)應(yīng)的主軸頻 率為200 Hz,進(jìn)給系統(tǒng)的快速移動(dòng)速度為50 m/min。
2主軸的模態(tài)分析
模態(tài)分析主要用于確定結(jié)構(gòu)或者系統(tǒng)的模態(tài)參 數(shù)，模態(tài)參數(shù)包括：固有頻率、模態(tài)振型、模態(tài)剛度和模 態(tài)阻尼等，其中固有頻率和模態(tài)振型是重要的模態(tài) 參數(shù)[5]。通過(guò)模態(tài)分析可確定主軸的固有頻率，避免施 加在主軸上的載荷頻率與主軸的固有頻率相同或接近 而產(chǎn)生共振，進(jìn)而造成巨大損失；同時(shí)模態(tài)分析也是其 它動(dòng)力學(xué)分析（如瞬態(tài)分析、譜分析、諧響應(yīng)分析等）的 基礎(chǔ)。
2.1 主軸有限元模型的建立
在對(duì)主軸進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，需要先建立主軸的有 限元模型，具體步驟如下：
(1)建立主軸三維實(shí)體模型。由于主軸結(jié)構(gòu)較為 復(fù)雜，先采用Pro/E軟件建立主軸三維實(shí)體模型，然后 導(dǎo)入到ANSYS軟件。
(2)對(duì)主軸進(jìn)行單元?jiǎng)澐?。首先定義材料屬性，設(shè) 置主軸材料的彈性模量、泊松比和密度；然后選擇Solid45單元進(jìn)行單元?jiǎng)澐?，共生? 125個(gè)單元，5 216個(gè)節(jié)點(diǎn)；后選用ANSYS軟件中的彈簧單元來(lái)模擬軸 承支承，彈簧單元的剛度值即為軸承的徑向剛度。
(3)施加載荷
和約束條件。由圖1可知，主軸支承1處為固定端，主軸在此處與彈簧單元相連接的節(jié)點(diǎn)的自由度被全部約束；支承2、3處為浮動(dòng)端，在主軸與彈簧單元相連接的節(jié)點(diǎn)上施加UY、UZ方向的約束，彈簧的另一端完全固接。構(gòu)建的主軸有限元模 型如圖2所示。
2.2分析結(jié)果
應(yīng)用ANSYS軟件對(duì)主軸有限元模型進(jìn)行分析，并 提取主軸前六階的振型，如圖3所示。
由主軸六階振型圖可知，主軸的二、三階頻率大小 基本相等，振型正交；四、五階頻率大小基本相等，振型 正交。
根據(jù)轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系（n=60/)，可得出主軸各階固有頻率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速，見(jiàn)表1。
表1主軸固有頻率-轉(zhuǎn)速對(duì)照表
階次
一
二
三
四
五
六
頻率f/Hz
0
793.987
794.144
950.963
951.38
1 466.06
轉(zhuǎn)速 n/(r.min-1)
0
47 639
47 648
57 057
57 082
87 963
由表1可以看出，主軸除第一階固有頻率外，其它 固有頻率所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速小為47 639 r/min,而機(jī)床工 作時(shí)主軸的高轉(zhuǎn)速為12 000 r/min，對(duì)應(yīng)主軸頻率為 200 Hz，比主軸固有頻率對(duì)應(yīng)的小轉(zhuǎn)速小很多，所以 主軸在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，主軸的工作狀 態(tài)是安全的。
3主軸諧響應(yīng)特性分析
在實(shí)際工作中，主軸所受的載荷是動(dòng)態(tài)變化的，主 軸在動(dòng)態(tài)載荷下的抗振能力更能體現(xiàn)出主軸動(dòng)態(tài)性能 的優(yōu)劣，因此有必要對(duì)主軸進(jìn)行諧響應(yīng)分析。在進(jìn)行諧 響應(yīng)分析時(shí)，選取主軸前端為研究對(duì)象，得到主軸的振 幅-頻率響應(yīng)曲線。通過(guò)觀察振幅-頻率響應(yīng)曲線，能 更好地了解主軸在外加動(dòng)態(tài)載荷作用下的抗振性能， 以及其設(shè)計(jì)能否滿足工作要求。
主軸前端安裝刀具處受到來(lái)自工件的切削載荷， 所以在主軸前端安裝刀具處施加大小為1 000 N的載 荷來(lái)模擬切削工況。根據(jù)前面對(duì)主軸模態(tài)特性的研究， 已經(jīng)得到了主軸的前六階固有頻率值，其中二階固有 頻率約為793 Hz，所以設(shè)置載荷的頻率范圍為700~ 900 Hz，在該載荷作用下對(duì)主軸進(jìn)行諧響應(yīng)分析，研究 在二階固有頻率附近主軸的振動(dòng)特性。圖4為在切削 載荷作用下主軸的諧響應(yīng)分析結(jié)果。
由圖4可以看出，主軸的大振動(dòng)峰值出現(xiàn)在頻 率為793 Hz處，振幅值為6 mm，而在200 Hz頻率附 近主軸的振幅很小，所以不會(huì)對(duì)主軸產(chǎn)生太大影響。
4結(jié)束語(yǔ)
筆者以JY-5數(shù)控銑床型號(hào)為研究對(duì)象，對(duì)其主 軸建立有限元模型，進(jìn)行了模態(tài)和諧響應(yīng)特性分析。通
過(guò)模態(tài)分析，得到主軸的前六階固有頻率和相應(yīng)轉(zhuǎn)速
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