JY-5數控銑床主軸動態特性分析
從20世紀90年代開始，高速切削技術已經進入 了工業應用階段，并取得了顯著的經濟效益。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 量，顯著提高加工精度，正是基于這些優勢，高速切削 技術在國內外已經成為重要的研究領域之_[1]。作為 高速切削的核心功能部件，主軸的動態性能直接影響 到機床的加工質量和生產效率，也是影響機床加工精 度的重要因素。因此，對主軸進行動態分析，研究主軸 的模態特性、諧響應特性，對于提高機床的整體工作性 能是很有必要的[2,3]，也為主軸的改進優化提供了技術 資料。1主軸結構簡介主軸是機床非常重要的部件之_，它的主要功能 是帶動刀具高速旋轉，完成切削加工任務。在切削過程 中，主軸主要承受切削力和來自機床的驅動力W。現代精工機床功率大，切削速度快，主軸高速旋轉，由機床 本身的可靠性來保證加工質量，因此主軸必須具有良 好的靜動態特性。本文以JY-5精工銑床的主軸為研究對象，主軸結 構如圖1所示。該主軸材料為40Cr，由三組軸承支承，整個支承 結構采用_端固定_端浮動的方式，支承1為固定端， 支承2和3為浮動端。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。主軸的最高轉速為12 000 r/min，對應的主軸頻 率為200 Hz,進給系統的快速移動速度為50 m/min。2主軸的模態分析模態分析主要用于確定結構或者系統的模態參 數，模態參數包括：固有頻率、模態振型、模態剛度和模 態阻尼等，其中固有頻率和模態振型是最重要的模態 參數[5]。通過模態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 而產生共振，進而造成巨大損失；同時模態分析也是其 它動力學分析（如瞬態分析、譜分析、諧響應分析等）的 基礎。2.1 主軸有限元模型的建立在對主軸進行模態分析時，需要先建立主軸的有 限元模型，具體步驟如下：(1)建立主軸三維實體模型。由于主軸結構較為 復雜，先采用Pro/E軟件建立主軸三維實體模型，然后 導入到ANSYS軟件。(2)對主軸進行單元劃分。首先定義材料屬性，設 置主軸材料的彈性模量、泊松比和密度；然后選擇Solid45單元進行單元劃分，共生成3 125個單元，5 216個節點；最后選用ANSYS軟件中的彈簧單元來模擬軸 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點的自由度被全部約束；支承2、3處為浮動端，在主軸與彈簧單元相連接的節點上施加UY、UZ方向的約束，彈簧的另一端完全固接。構建的主軸有限元模 型如圖2所示。2.2分析結果應用ANSYS軟件對主軸有限元模型進行分析，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。根據轉速與頻率的關系（n=60/)，可得出主軸各階固有頻率對應的轉速，見表1。 表1主軸固有頻率-轉速對照表 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 固有頻率所對應的轉速最小為47 639 r/min,而機床工 作時主軸的最高轉速為12 000 r/min，對應主軸頻率為 200 Hz，比主軸固有頻率對應的最小轉速小很多，所以 主軸在高速運轉時不會產生共振現象，主軸的工作狀 態是安全的。3主軸諧響應特性分析在實際工作中，主軸所受的載荷是動態變化的，主 軸在動態載荷下的抗振能力更能體現出主軸動態性能 的優劣，因此有必要對主軸進行諧響應分析。在進行諧 響應分析時，選取主軸前端為研究對象，得到主軸的振 幅-頻率響應曲線。通過觀察振幅-頻率響應曲線，能 更好地了解主軸在外加動態載荷作用下的抗振性能， 以及其設計能否滿足工作要求。主軸前端安裝刀具處受到來自工件的切削載荷， 所以在主軸前端安裝刀具處施加大小為1 000 N的載 荷來模擬切削工況。根據前面對主軸模態特性的研究， 已經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，所以設置載荷的頻率范圍為700~ 900 Hz，在該載荷作用下對主軸進行諧響應分析，研究 在二階固有頻率附近主軸的振動特性。圖4為在切削 載荷作用下主軸的諧響應分析結果。由圖4可以看出，主軸的最大振動峰值出現在頻 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，所以不會對主軸產生太大影響。4結束語筆者以JY-5精工銑床型號為研究對象，對其主 軸建立有限元模型，進行了模態和諧響應特性分析。通過模態分析，得到主軸的前六階固有頻率和相應轉速