螺旋锥齿轮磨床用电主轴动态性能分析

郭丽娟，万力游

(1.洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039；2.湖南中大创远数控装备有限公司，长沙 410000)

1 电主轴结构及技术参数

螺旋锥齿轮是国防、能源、运载、装备制造业及交通等领域中重要装备的关键零件，其形状及精度要求高，磨削轨迹复杂。磨削螺旋锥齿轮使用的扩口杯砂轮受力复杂多变，所以数控螺旋锥齿轮磨床一般均采用5轴联动实现齿轮啮合曲线加工，加工范围为63.5～457.2 mm。齿轮磨床用电主轴的转速要求为1000～8000 r/min。300MD04Z24型电主轴可以满足主机上述要求。该主轴技术参数为：额定功率33 kW，工作转速1 500～3 500 r/min，额定转速2 100 r/min，额定力矩150 N·m，额定电流60 A，电压常量113 V/1 000 (r·min-1)，最大电流124 A。由于加工的齿轮尺寸较大，电主轴携带的扩口杯砂轮重量也较大，因此要求电主轴在保持高精度输出的同时，要有较小的振动和较高的动态稳定性。

磨齿电主轴采用锥面配合和端面贴紧的砂轮安装方式，对电主轴的精度要求是：转轴伸出端1∶24锥面的径向跳动及轴向窜动均不大于2 μm，旋转时主轴凸缘端面跳动不大于2 μm。电主轴外形示意图如图1所示，过渡盘与砂轮安装示意图如图2所示。使用专用胶将砂轮粘结在铝基上，然后通过螺钉安装到过渡盘上，再与主轴凸缘端面贴紧安装在一起。主轴凸缘可以安装3种不同尺寸的过渡盘，每个过渡盘端面可以安装3种不同尺寸的砂轮，在刚度和加工转速范围满足的情况下，理论上1个电主轴可以同时加工9种尺寸的螺旋锥齿轮。

图1 电主轴外形示意图

图2 过渡盘与砂轮

电主轴的附加零件有主轴凸缘、过渡盘和成形砂轮，质量共约几十千克。在磨削过程中电主轴要承受附加零件的自身重力，还要承受较大的磨削径向力和轴向力，这就要求电主轴要有较大的扭矩、较宽的加工速度范围和较高的刚性，还要具有承受复杂多变磨削力的能力[1-2]。为此电主轴选用了较大型号的进口高速高精度角接触球轴承，通过增大轴径来提高转轴的刚性。前轴承7024C/P4共4套，组配方式为DBB；后轴承7016C/P4共2套，组配方式为DB。前轴承与主轴凸缘的距离尽量短，以增加转轴的刚度，减小转轴伸出端的受力变形量[1-2]。

2 动态性能分析

电主轴为高速运转部件，其动态性能直接影响机床的性能和加工产品的表面质量，对于高精度加工机床，动态性能尤为重要。评价电主轴动态特性的方式主要包括振动频谱分析、动刚度分析和临界转速分析等。

2.1 振动频谱分析

频谱分析是目前用于机械故障诊断最有效、最快捷的方法之一。在电主轴的批量生产中，其合格的判断标准为电主轴振动值不大于1.5 mm/s。试验使用SCHENCK手持振动频谱分析仪(具有高精度动平衡的功能)进行测试分析，电主轴空载状态下，分别在1 000，1 500，2 000，2 500，3 000 r/min各运行60 min，在3 400和3 500 r/min各运行120 min。从频谱分析仪中取得的部分频谱图如图3所示。

图3 主轴各转速下的部分振动频谱图

频谱分析是幅值和频率的综合分析，通常要求在最高转速频率内振动幅值不能超过一定范围，频率成分也要合理[3]。从振动频谱分析图可知：在不同转速下(3 500 r/min除外)，振动值均在1.5 mm/s以下，符合标准要求。3 500 r/min时可以通过动平衡(主轴凸缘上设有做动平衡专用的螺纹孔，可以依据仪器测出的相位角和需要增加的质量进行准确的动平衡)降低振动值。从振动频率成分上可以清晰地看到，幅值主要集中在电主轴的基频(基频=主轴的转速/60)上，由振动理论可知，这是由典型的电主轴转轴(附带转子和旋转件)不平衡所致，该频率(基频)是允许的。若基频振动幅值过高，就可能对电主轴内部其他零部件带来大的附加力，特别是在高速下，不平衡产生的附加力会很大，产生受迫振动，可能损坏轴承，这时就需要做动平衡予以校正。从图3可以看出，在其他频率上幅值很小，表明电主轴的装配状态良好[3-4]。

2.2 动刚度分析

电主轴的刚度分为静刚度和动刚度。静刚度是主轴抵抗静载荷所产生的变形，反映了主轴抵抗静态力干扰的能力。动刚度是指主轴抵抗外界动态力的能力。电主轴工作状态下受到的外载荷都是动态变化的，因此，动刚度是电主轴动态性能的一个极其重要的参数。

2.2.1 动刚度的测试

如图4所示，首先将电主轴固定在刚性台架上，使电主轴的安装固有频率远远高于电主轴固有频率，一般取其5倍以上，消除测试台架安装频率对电主轴动刚度的影响。电主轴处于静止状态，使用脉冲锤敲击电主轴转子前端，通过振动传感器拾取主轴前端的振动信号，然后通过放大器将两组信号(脉冲锤产生的力信号和振动传感器拾取的振动信号)输送到频率分析仪，通过分析软件得出动刚度值。试验采用LMS频谱刚度分析仪

图4 动刚度测试方法示意图

进行动刚度的检测和分析。

2.2.2 动刚度曲线及分析

现以300MD04Z24电主轴为例进行动刚度分析。电主轴的低频特性对动态性能影响最大，也是研究的重点。由于轴承预紧力在圆周上的不均衡，电主轴径向刚度在圆周上会有一定的差异。通常取电主轴的水平径向、垂直径向和轴向3个方向进行测试。电主轴在3个方向上的动刚度曲线如图5所示，动刚度数值见表1。

图5 动刚度曲线

表1 动刚度幅值

电主轴动刚度图上有两种曲线:一是测试的相干性曲线，是指外界条件对测试本身的影响特性，也表示动刚度数值的准确性，相干性数值最好为1;二是动刚度曲线，其平滑清晰说明电主轴部件之间装配紧密，轴承装配良好，配合面上不存在较大的间隙。在动刚度曲线上，在相干性接近于1的范围内，动刚度最低的点(即动刚度最小值)是电主轴动刚度的有效评价值。由振动理论可知，电主轴在共振峰附近的振动幅度最大，即变形最大，其对应的动刚度值就最小，动刚度的最低点(波谷)就是共振峰和共振频率的点。评价电主轴的动刚度特性，不仅要看动刚度数值的大小(动刚度的数值越大，抵抗发生共振破坏的能力就越强)，而且要看共振频率的分布(共振频率在通常为低频率的电主轴工作频率内分布的越少就越好，这样可以保证电主轴工作时动态性能稳定，避免引起主轴共振)[3-5]。由图5可知，电主轴的共振峰在150 Hz内分布有两阶共振，共振峰较少，动刚度数值较大。说明电主轴的运动性能较稳定，抵抗外界动态激振力的能力较强。

2.3 临界转速分析

从振动的角度看，临界转速就是共振转速。电主轴在实际运转中要避开临界转速区域，电主轴转速的设定一般取低于临界转速的70%或高于它的1.3倍，反之会发生共振现象，使振动增大，严重时会使电主轴发生抖动，影响使用寿命。在理论上，一根电主轴有无限多个临界转速，但只有较低的几个临界转速对实际产生影响，对较低的临界转速需要密切关注[6]。图6为电主轴共振峰谱图(即动刚度综合曲线图)，从图中可以找到动刚度最小点，即临界转速点。

图6中存在55 ,113 和185 Hz 3个共振频率。临界转速n和共振频率f的关系为n=60f。当电主轴经过表2中3个临界转速附近时将发生共振，振动会被放大很多倍，造成电主轴受损。第2阶和第3阶临界转速均远离工作转速范围，对电主轴没有影响。而第1阶临界转速3 300 r/min在电主轴工作转速范围内，故需要在电主轴驱动器中设置合理的屏蔽频率范围。

图6 电主轴共振峰谱图

表2 300MD04Z24电主轴的临界转速

确定需要屏蔽的频率范围时，一般采取由两边向中间靠拢的方法进行测试，从3000r/min缓慢升速测量振动值，找到振动值超标点，然后从3 500 r/min缓慢降速，测量振动值，找到振动值超标点，两个超标点之间的转速范围就是需要屏蔽的频率段。图7为动平衡后的振动曲线图，可以看出，电主轴的标准振动值为1.5 mm/s，转速3 260～3 320 r/min即为该电主轴需要屏蔽的转速段。对磨床用电主轴来说，屏蔽掉几十转对电主轴的磨削效率几乎不会产生影响。如果屏蔽的范围较大，就需调整设计，提高电主轴临界转速点，具体措施是：在工艺允许的范围内适当增大轴承的预紧力，提高轴承的刚度；合理选择电主轴转轴的支撑方式，合理分配各个支撑区间的质量和刚度；最大限度地降低转轴及附加旋转零件不平衡的影响；排除电主轴在装配中出现的其他机械故障。

图7 电主轴振动曲线图

空载状态下引起电主轴共振的因素主要有转轴不平衡量，定/转子安装不同轴和转轴上附加旋转件安装精度差等。随着电主轴转速的不断提高，电主轴基频也同步加大，就会产生受迫振动，当基频上升到接近电主轴的共振频率时，电主轴振动明显增大，如果继续升速，基频也继续增大并逐渐远离共振频率时，振动逐渐减弱；当基频接近于下一个更高的共振频率时，电主轴振动再次增大。这些振动峰值所对应的基频就是电主轴的共振频率，其对应的转速就是电主轴的临界转速。所以提高动平衡的精度等级很有必要。

3 结束语

对300MD04Z24型电主轴进行的动态性能试验分析结果表明，该电主轴具有精度高、刚性好、振动低及动态性能稳定可靠等特点，完全可以替代机械传动作为机床的功能部件进入高精度齿轮磨削领域。随着电主轴设计制造技术的不断提高，电主轴的优越性能将在高精度齿轮磨削领域内得到充分体现，具有广阔的应用前景。目前仍然要继续对该类电主轴进行动态试验分析，进行大量的数据积累和进一步的研究。