数控车床主轴静动态特性研究

■ 纽威机床设计研究院 （江苏苏州 100007） 卢 强

■ 北方自动控制技术研究所 （山西太原 030006） 左 锋

■ 纽威数控装备（苏州）有限公司 （江苏 100007） 朱 军

目前某公司生产批量较大的NL50系列车床，其中的SA型号机床存在不同程度的振刀现象，而SC型号没有振刀现象。机床振动的原因是非常复杂的，本文通过对主轴箱部件进行静力学、模态及振动分析，对比SA和SC两个型号主轴箱部件自身静态刚度、振动特性。同时也对机床进行振动测试、频响函数测试，通过对比，分析了产生振动的主要原因。

1. 轴承刚度计算及分析

车床NL50标准机型内部构造为轴承联接主轴与外壳结构，如下图1所示。SA与SC型号区别主要是箱体结构不同。其中主轴前端轴承为三列7022A5，中预紧，为DBD组合。后轴承为两列NSK7020C，中预紧，为DB组合。

前端DBD组合后，轴向刚度：Sa=1.48×441=661.56 N/μm；径向刚度：Sr=2×1.54×441=1 358N/μm。后端DB组合后，轴向刚度：Sa=187N/μm；径向刚度：Sr=5×Sa=935N/μm。按照上述的计算的刚度数值，在有限元软件中对轴承材料进行调整模拟，前轴承DBD组合后，最终得到的结果如表1所示，分析结果如图2所示，最终使得该模型的刚度与实际相近。

经过多次数据调整，前端轴承的模型刚度（径向刚度和轴向刚度）与实际轴承的刚度几乎一致，达到了轴承模拟的效果。

图1 NL50系列机型主轴部件轴承布置

表1 前轴承径向刚度和轴向刚度参数

图2 前轴向刚度模拟数据

同样，按照刚度计算方法进行材料调整，后轴承DB组合后最终得到的结果如表2所示，分析结果如图3所示。

因为后轴承NSK7020C不承受轴向力，所以轴向刚度暂时忽略。

2. 主轴箱部件的静力学分析

按照实际箱体载荷及约束条件，利用有限元软件分别对NL502SA和NL502SC进行静力学分析，在距离卡盘端面150mm处施加切削载荷，主切削力为1 800N，径向力为550N。分别提取整体部件、主轴箱和工件端面的分析结果，其中图4、图5为NL502SA的结果，图6、图7为NL502SC的结果。

图3 后轴向刚度模拟数据

图4 NL502SA主轴箱部件变形

表2 后轴承径向刚度和轴向刚度参数

从上面的分析可以看出SA型号的主轴箱部件变形为0.051 3mm，主轴箱变形为0.008 2mm。SC型号的主轴箱部件变形为0.048mm，主轴箱变形为0.006mm。静刚度对比如图8所示，SC型号的静刚度明显高于SA型号。

3. 主轴箱部件的模态分析

图5 NL502SA主轴箱变形

图6 NL502SC主轴箱部件变形

图7 NL502SC主轴箱变形

在相同约束条件下（约束螺栓孔），分别对NL502SA和NL502SC进行约束模态分析，分别提取对切削振动影响较大的几阶固有频率振型云图，其中图9～图11为NL502SA的结果，图12～图14为NL502SC的结果。

从模态分析结果可以看出，SA主轴箱部件固有频率低于SC，振型类似。其中第1、第2阶为带轮摆动，对加工振动影响较小，没有列举。第3～第5阶振型为卡盘和工件的摆动，其中卡盘和工件的摆动对加工的振动影响较大，对比如图15所示。

图8 SA与SC型号的静刚度对比

图9 NL502SA第3阶振型

图10 NL502SA第4阶振型

图11 NL502SA第5阶振型

图12 NL502SC第3阶振型

图13 NL502SC第4阶振型

图14 NL502SC第5阶振型

4. 主轴箱部件的动态特性分析

在相同约束条件下（约束螺栓孔），在距离卡盘端面150mm处施加切削载荷，主切削力为1 800N，径向力为550N，并且分别对NL502SA和NL502SC进行谐响应分析，频率范围为100～300Hz，频率间隔为2Hz，初始相位为0°。图16为NL502SA主轴箱部件的谐响应曲线，图17为相位变化曲线。

从图16曲线中可以看出，NL502SA主轴箱在215Hz、220Hz、238Hz和255Hz时，振幅增大，并且从图17可以看出此时相位发生180°的变化，说明这些频率是结构的一些固有频率。

NL502SC主轴箱部件的谐响应曲线如图18所示，相位变化曲线如图19所示。

从上面的图18曲线中可以看出，NL502SC主轴箱在174Hz、214Hz、222Hz和254Hz时，振幅增大，并且从图19可以看出此时相位发生180°的变化。说明这些频率是结构的一些固有频率。

图15 SA与SC型号模态对比

图16 NL502SA谐响应曲线

图17 NL502SA相位变化

图18 NL502SC谐响应曲线

图19 NL502SC相位变化

5. 机床切削振动测试

利用东方所DASP-V10振动测试分析设备对NL50机床进行振动和动刚度测试如图20所示。SA型号主轴端振动频谱如图21所示，从图中可以看出振动特征频率为238Hz。振动在主切削力方向的动刚度曲线如图22所示，从图中可以看出在238Hz处有明显的峰值，说明某一阶固有频率为238Hz。

SC型号主轴端振动频谱如图23所示，从图中可以看出无明显的振动特征频率。振动在主切削力方向的动刚度曲线如图24所示，从图中可以看出在195Hz、278Hz处有明显的峰值，说明195Hz、278Hz分别是结构的某阶固有频率。

从切削振动测试和频响函数测试发现，SA振动频谱中有明显的振动特征频率238Hz，而SC系列没有；并且在SA系列的频响曲线中看到明显的固有频率238Hz，而SC系列固有频率为195Hz、278Hz。

6. 结语

本文分别对NL50系列的SA和SC型号机床的主轴箱进行了静力学分析、模态分析和谐响应分析，并对机床进行了振动测试和频响测试，主要结论：

图20 NL50机床进行振动和动刚度测试

图21 NL502SA振动频谱图

图22 NL502SA频响曲线

图23 NL502SC振动频谱图

图24 NL502SC频响曲线

（1）从静力学分析结果可以看出SC型号的静刚度要明显高于SA型号。

（2）从模态分析结果可以看出SA型号和SC型号振型较接近，但SC型号的固有频率要高于SA型号。

（3）从谐响应分析结果可以看出，NL502SA在238Hz 处有明显峰值，而NL502SC主轴箱没有该频率。

（4）从振动测试可以看出，SA型号的振动特征频率为238Hz左右，而从频响曲线可以看出，SA型号的某一阶固有频率为238Hz，从模态分析可以发现SA主轴箱部件的第五阶固有频率为238Hz，验证了有限元模型的正确性，同时也确定了SA型号振刀的原因是切削激振频率与结构的固有频率一致。

[1] 徐灏．机械设计手册（第一卷）[M]．北京：机械工业出版社，1992．

[2] 方键．机械结构设计[M]．北京：化学工业出版社，2005．

[3] 龚曙光，邱爱红，谢桂兰．基于有限元分析的零部件优化设计研究与应用[J]．机械，2002，29(5)：23-25．

[4] 廖伯瑜，周新民，尹志宏．现代机械动力学及其工程应用：建模、分析、仿真、修改、控制、优化[M]．北京：机械工业出版社，2003:12-14．

[5] ZeljkovicM，Gatalo R．Experimental and computer aided analysis of high-speed spindle assembly behavior[J]．CIRPAnnals, Manufacturing Technology，1999，48(1)：325-328．

[6] M J Turner，R W Clough，C Martin，et．Stiffness and Deflection Analysis of Complex Structures[J]．JAeraS，1956，23(9)：22-29．

[7] 白钊，马平，胡爱玲，等．应用有限元方法对高速主轴的优化设计[J]．机床与液压，2004，10：126-128．