数控机床主轴部件动态优化设计

Ξ

张波

1

,

虎恩典

2

,

陈天宁

1

,

陈花玲

1

,

刘保东

3

(1.

西安交通大学 机械工程学院

,

陕西 西安 　

710049 ; 2.

宁夏大学 机械工程学院

,

宁夏 银川 　

750021 ;3.

宁夏长城机床厂

)

摘要

:

在对某型数控车床进行空运转 、

切削及模态试验的基础上

,

确定了机床主轴部件动刚度薄弱是引起机床切削

的结构颤振方面的原因 。据此

,

建立了机床主轴部件的有限元动力学模型

,

并对主轴部件进行了静 、

动特性的计算和动

态优化设计 。

关键词

:

数控车床

;

有限元

;

模态分析

;

优化设计

中图分类号

: TG502

　　文献标识码

:A

　　文章编号

:1001 - 2354 (2004) 05 - 0033 - 04

　　机床主轴部件是机床的关键部件

,

在它的前端部安装有卡

盘 、

工件或刀具

,

直接参与切削加工

;

它的性能

,

尤其是低阶固

有频率和端点动柔度对机床加工性能有很大影响 。例如

,

中型

普通车床在不同激振频率的动载荷作用下

,

各部件反映在刀具

与工件切削处的综合位移中主轴部件所占的比重最大

,

主轴部

件未处于共振状态下占

30 %

～

40 % ,

处于共振状态下占

60 %

～

80 %

。而对数控车床加工来说

,

既要求高精度

,

又要求高效率

,

既要进行精加工工序

,

又要进行一定的粗加工

,

因此

,

对主轴部

件静 、

动特性提出了更高的要求 。针对某型数控车床进行了切

削颤振试验

,

试验设计为对

4

组不同尺寸的工件进行了横向切

槽和外圆车削试验 。然后通过

DASP

大容量数据采集系统进行

数据采集

,

得到了数控车床上转塔刀盘上刀具振动的绝对加速

度响应

(

图

1a) ,

并对加速度响应进行频谱

(

图

1b)

分析后

,

得到

了机床发生颤振的颤振频率

,

如表

1

所示 。

　　

(a)

第

4

组试验中

Y

向 　　　　　　

(b)

第

4

组试验中

Y

向

加速度时间历程波形

加速度响应频谱

图

1

表

1

　数控车床切削试验中的颤振频率

试验组别

1

2

3

4

颤振频率

( Hz)

263. 67

351. 56

341. 79

336. 91

工件振纹

(

个

)

23

23

27

33

　　从

4

组试验所得颤振频率来看

,

除横向切削时的

263. 67 Hz

外

,

其他三组试验所得颤振频率在

336. 91

～

351. 56 Hz

范围内

(

平均为

343. 42 Hz) ,

几乎是恒定的

,

结合切削深度和颤振振幅

的测试结果可知

,

该型数控车床结构上存在着频率为

263. 67 Hz

左右和

336. 91

～

351. 56 Hz

左右的薄弱模态 。再根据整机及部

件模态试验的结果可知

,

主轴

-

工件

-

刀具

-

尾架工艺系统中

主轴是引起切削颤振的主要部件 。因此

,

有必要对主轴部件进

行动态优化设计

,

以提高其动态特性

,

从而改善整个机床的切

削加工性能 。

2

　主轴部件有限元动力学模型的

建立及特性分析

该型机床主轴部件由主轴 、

轴承 、

卡盘和工件组成

(

图

2a) ,

为使主轴部件的动态设计切实可行

,

采用有限元分析软件

AN

2

SYS

分析之前

,

对主轴部件有限元模型做了简化

,

即将主轴箱体

对主轴的弹性支承简化为轴承刚度的一部分来考虑

,

这样

,

在

主轴部件的灵敏度分析和改进设计中

,

不再将主轴箱做为主轴

部件有限元模型的一部分

,

前后滚动轴承简化为具有径向刚度

的线形

-

阻尼单元

;

卡盘和带轮分别简化为集中质量单元加载

到主轴前后相应的作用点上

,

整个结构共划分了

59 630

个实体

单元 、

8

个弹簧

-

阻尼单元和

2

个集中质量单元 。简化后的有

限元模型如图

2b ,

表

2

为低阶固有频率的计算结果

,

振型略 。

表

2

　主轴部件前

8

阶模态频率值

( Hz)

阶数

1

2

3

4

5

6

7

8

计算值

250. 61 266. 12 324. 69 448. 08 471. 49 710. 88 739. 26 840. 71

　　由计算结果及振型

(

振型略

)

可知

,

主轴部件第

1

、

2

阶固有

频率与横向切削颤振频率

263. 67 Hz

相接近

,

第

3

阶固有频率

与纵向切削颤振频率

336. 91

～

351. 56 Hz

相接近 。另外

,

由有限

元模态分析和动力响应分析可知

,

垂直方向上第

3

阶模态的动

力响应峰值最大

,

而在水平方向上第

1

、

2

阶模态的动力响应峰

值最大

;

而且

,

动能过于集中在第

3

阶模态 。由此不难得出这样

的结论

:

主轴部件第

1

、

2

阶模态易引起该型机床的横向切削颤

振

,

第

3

阶模态易引起机床的纵向切削颤振 。由切削试验结果

也可以得出同样的结论 。由此可知

,

降低

y

向第

3

阶模态动柔

度或使之均匀分布于各阶模态

,

是主轴部件动态优化设计的主

要目标 。

第

21

卷第

5

期

2 0 0 4

年

5

月

机 　械 　设 　计

JOURNAL OF MACHINE DESIGN

Vol. 21

　

No. 5

May

　　

2004

Ξ

收稿日期

:2003 - 05 - 13 ;

修订日期

:2003 - 12 - 03

基金项目

:

宁夏自然科学基金资助项目

( E001) ;

宁夏大学青年教师科研启动基金资助项目

(QN02116)

作者简介

:

张波

(1973 - ) ,

男

,

宁夏人

,

讲师

,

工学硕士

,

专业方向

:

振动 、

冲击 、

噪声 。