螺旋錐齒輪磨床用電主軸動態(tài)性能分析

郭麗娟，萬力游

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.湖南中大創(chuàng)遠(yuǎn)數(shù)控裝備有限公司，長沙 410000)

1 電主軸結(jié)構(gòu)及技術(shù)參數(shù)

螺旋錐齒輪是國防、能源、運(yùn)載、裝備制造業(yè)及交通等領(lǐng)域中重要裝備的關(guān)鍵零件，其形狀及精度要求高，磨削軌跡復(fù)雜。磨削螺旋錐齒輪使用的擴(kuò)口杯砂輪受力復(fù)雜多變，所以數(shù)控螺旋錐齒輪磨床一般均采用5軸聯(lián)動實現(xiàn)齒輪嚙合曲線加工，加工范圍為63.5～457.2 mm。齒輪磨床用電主軸的轉(zhuǎn)速要求為1000～8000 r/min。300MD04Z24型電主軸可以滿足主機(jī)上述要求。該主軸技術(shù)參數(shù)為：額定功率33 kW，工作轉(zhuǎn)速1 500～3 500 r/min，額定轉(zhuǎn)速2 100 r/min，額定力矩150 N·m，額定電流60 A，電壓常量113 V/1 000 (r·min-1)，最大電流124 A。由于加工的齒輪尺寸較大，電主軸攜帶的擴(kuò)口杯砂輪重量也較大，因此要求電主軸在保持高精度輸出的同時，要有較小的振動和較高的動態(tài)穩(wěn)定性。

磨齒電主軸采用錐面配合和端面貼緊的砂輪安裝方式，對電主軸的精度要求是：轉(zhuǎn)軸伸出端1∶24錐面的徑向跳動及軸向竄動均不大于2 μm，旋轉(zhuǎn)時主軸凸緣端面跳動不大于2 μm。電主軸外形示意圖如圖1所示，過渡盤與砂輪安裝示意圖如圖2所示。使用專用膠將砂輪粘結(jié)在鋁基上，然后通過螺釘安裝到過渡盤上，再與主軸凸緣端面貼緊安裝在一起。主軸凸緣可以安裝3種不同尺寸的過渡盤，每個過渡盤端面可以安裝3種不同尺寸的砂輪，在剛度和加工轉(zhuǎn)速范圍滿足的情況下，理論上1個電主軸可以同時加工9種尺寸的螺旋錐齒輪。

圖1 電主軸外形示意圖

圖2 過渡盤與砂輪

電主軸的附加零件有主軸凸緣、過渡盤和成形砂輪，質(zhì)量共約幾十千克。在磨削過程中電主軸要承受附加零件的自身重力，還要承受較大的磨削徑向力和軸向力，這就要求電主軸要有較大的扭矩、較寬的加工速度范圍和較高的剛性，還要具有承受復(fù)雜多變磨削力的能力[1-2]。為此電主軸選用了較大型號的進(jìn)口高速高精度角接觸球軸承，通過增大軸徑來提高轉(zhuǎn)軸的剛性。前軸承7024C/P4共4套，組配方式為DBB；后軸承7016C/P4共2套，組配方式為DB。前軸承與主軸凸緣的距離盡量短，以增加轉(zhuǎn)軸的剛度，減小轉(zhuǎn)軸伸出端的受力變形量[1-2]。

2 動態(tài)性能分析

電主軸為高速運(yùn)轉(zhuǎn)部件，其動態(tài)性能直接影響機(jī)床的性能和加工產(chǎn)品的表面質(zhì)量，對于高精度加工機(jī)床，動態(tài)性能尤為重要。評價電主軸動態(tài)特性的方式主要包括振動頻譜分析、動剛度分析和臨界轉(zhuǎn)速分析等。

2.1 振動頻譜分析

頻譜分析是目前用于機(jī)械故障診斷最有效、最快捷的方法之一。在電主軸的批量生產(chǎn)中，其合格的判斷標(biāo)準(zhǔn)為電主軸振動值不大于1.5 mm/s。試驗使用SCHENCK手持振動頻譜分析儀(具有高精度動平衡的功能)進(jìn)行測試分析，電主軸空載狀態(tài)下，分別在1 000，1 500，2 000，2 500，3 000 r/min各運(yùn)行60 min，在3 400和3 500 r/min各運(yùn)行120 min。從頻譜分析儀中取得的部分頻譜圖如圖3所示。

圖3 主軸各轉(zhuǎn)速下的部分振動頻譜圖

頻譜分析是幅值和頻率的綜合分析，通常要求在最高轉(zhuǎn)速頻率內(nèi)振動幅值不能超過一定范圍，頻率成分也要合理[3]。從振動頻譜分析圖可知：在不同轉(zhuǎn)速下(3 500 r/min除外)，振動值均在1.5 mm/s以下，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。3 500 r/min時可以通過動平衡(主軸凸緣上設(shè)有做動平衡專用的螺紋孔，可以依據(jù)儀器測出的相位角和需要增加的質(zhì)量進(jìn)行準(zhǔn)確的動平衡)降低振動值。從振動頻率成分上可以清晰地看到，幅值主要集中在電主軸的基頻(基頻=主軸的轉(zhuǎn)速/60)上，由振動理論可知，這是由典型的電主軸轉(zhuǎn)軸(附帶轉(zhuǎn)子和旋轉(zhuǎn)件)不平衡所致，該頻率(基頻)是允許的。若基頻振動幅值過高，就可能對電主軸內(nèi)部其他零部件帶來大的附加力，特別是在高速下，不平衡產(chǎn)生的附加力會很大，產(chǎn)生受迫振動，可能損壞軸承，這時就需要做動平衡予以校正。從圖3可以看出，在其他頻率上幅值很小，表明電主軸的裝配狀態(tài)良好[3-4]。

2.2 動剛度分析

電主軸的剛度分為靜剛度和動剛度。靜剛度是主軸抵抗靜載荷所產(chǎn)生的變形，反映了主軸抵抗靜態(tài)力干擾的能力。動剛度是指主軸抵抗外界動態(tài)力的能力。電主軸工作狀態(tài)下受到的外載荷都是動態(tài)變化的，因此，動剛度是電主軸動態(tài)性能的一個極其重要的參數(shù)。

2.2.1 動剛度的測試

如圖4所示，首先將電主軸固定在剛性臺架上，使電主軸的安裝固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電主軸固有頻率，一般取其5倍以上，消除測試臺架安裝頻率對電主軸動剛度的影響。電主軸處于靜止?fàn)顟B(tài)，使用脈沖錘敲擊電主軸轉(zhuǎn)子前端，通過振動傳感器拾取主軸前端的振動信號，然后通過放大器將兩組信號(脈沖錘產(chǎn)生的力信號和振動傳感器拾取的振動信號)輸送到頻率分析儀，通過分析軟件得出動剛度值。試驗采用LMS頻譜剛度分析儀

圖4 動剛度測試方法示意圖

進(jìn)行動剛度的檢測和分析。

2.2.2 動剛度曲線及分析

現(xiàn)以300MD04Z24電主軸為例進(jìn)行動剛度分析。電主軸的低頻特性對動態(tài)性能影響最大，也是研究的重點。由于軸承預(yù)緊力在圓周上的不均衡，電主軸徑向剛度在圓周上會有一定的差異。通常取電主軸的水平徑向、垂直徑向和軸向3個方向進(jìn)行測試。電主軸在3個方向上的動剛度曲線如圖5所示，動剛度數(shù)值見表1。

圖5 動剛度曲線

表1 動剛度幅值

電主軸動剛度圖上有兩種曲線:一是測試的相干性曲線，是指外界條件對測試本身的影響特性，也表示動剛度數(shù)值的準(zhǔn)確性，相干性數(shù)值最好為1;二是動剛度曲線，其平滑清晰說明電主軸部件之間裝配緊密，軸承裝配良好，配合面上不存在較大的間隙。在動剛度曲線上，在相干性接近于1的范圍內(nèi)，動剛度最低的點(即動剛度最小值)是電主軸動剛度的有效評價值。由振動理論可知，電主軸在共振峰附近的振動幅度最大，即變形最大，其對應(yīng)的動剛度值就最小，動剛度的最低點(波谷)就是共振峰和共振頻率的點。評價電主軸的動剛度特性，不僅要看動剛度數(shù)值的大小(動剛度的數(shù)值越大，抵抗發(fā)生共振破壞的能力就越強(qiáng))，而且要看共振頻率的分布(共振頻率在通常為低頻率的電主軸工作頻率內(nèi)分布的越少就越好，這樣可以保證電主軸工作時動態(tài)性能穩(wěn)定，避免引起主軸共振)[3-5]。由圖5可知，電主軸的共振峰在150 Hz內(nèi)分布有兩階共振，共振峰較少，動剛度數(shù)值較大。說明電主軸的運(yùn)動性能較穩(wěn)定，抵抗外界動態(tài)激振力的能力較強(qiáng)。

2.3 臨界轉(zhuǎn)速分析

從振動的角度看，臨界轉(zhuǎn)速就是共振轉(zhuǎn)速。電主軸在實際運(yùn)轉(zhuǎn)中要避開臨界轉(zhuǎn)速區(qū)域，電主軸轉(zhuǎn)速的設(shè)定一般取低于臨界轉(zhuǎn)速的70%或高于它的1.3倍，反之會發(fā)生共振現(xiàn)象，使振動增大，嚴(yán)重時會使電主軸發(fā)生抖動，影響使用壽命。在理論上，一根電主軸有無限多個臨界轉(zhuǎn)速，但只有較低的幾個臨界轉(zhuǎn)速對實際產(chǎn)生影響，對較低的臨界轉(zhuǎn)速需要密切關(guān)注[6]。圖6為電主軸共振峰譜圖(即動剛度綜合曲線圖)，從圖中可以找到動剛度最小點，即臨界轉(zhuǎn)速點。

圖6中存在55 ,113 和185 Hz 3個共振頻率。臨界轉(zhuǎn)速n和共振頻率f的關(guān)系為n=60f。當(dāng)電主軸經(jīng)過表2中3個臨界轉(zhuǎn)速附近時將發(fā)生共振，振動會被放大很多倍，造成電主軸受損。第2階和第3階臨界轉(zhuǎn)速均遠(yuǎn)離工作轉(zhuǎn)速范圍，對電主軸沒有影響。而第1階臨界轉(zhuǎn)速3 300 r/min在電主軸工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，故需要在電主軸驅(qū)動器中設(shè)置合理的屏蔽頻率范圍。

圖6 電主軸共振峰譜圖

表2 300MD04Z24電主軸的臨界轉(zhuǎn)速

確定需要屏蔽的頻率范圍時，一般采取由兩邊向中間靠攏的方法進(jìn)行測試，從3000r/min緩慢升速測量振動值，找到振動值超標(biāo)點，然后從3 500 r/min緩慢降速，測量振動值，找到振動值超標(biāo)點，兩個超標(biāo)點之間的轉(zhuǎn)速范圍就是需要屏蔽的頻率段。圖7為動平衡后的振動曲線圖，可以看出，電主軸的標(biāo)準(zhǔn)振動值為1.5 mm/s，轉(zhuǎn)速3 260～3 320 r/min即為該電主軸需要屏蔽的轉(zhuǎn)速段。對磨床用電主軸來說，屏蔽掉幾十轉(zhuǎn)對電主軸的磨削效率幾乎不會產(chǎn)生影響。如果屏蔽的范圍較大，就需調(diào)整設(shè)計，提高電主軸臨界轉(zhuǎn)速點，具體措施是：在工藝允許的范圍內(nèi)適當(dāng)增大軸承的預(yù)緊力，提高軸承的剛度；合理選擇電主軸轉(zhuǎn)軸的支撐方式，合理分配各個支撐區(qū)間的質(zhì)量和剛度；最大限度地降低轉(zhuǎn)軸及附加旋轉(zhuǎn)零件不平衡的影響；排除電主軸在裝配中出現(xiàn)的其他機(jī)械故障。

圖7 電主軸振動曲線圖

空載狀態(tài)下引起電主軸共振的因素主要有轉(zhuǎn)軸不平衡量，定/轉(zhuǎn)子安裝不同軸和轉(zhuǎn)軸上附加旋轉(zhuǎn)件安裝精度差等。隨著電主軸轉(zhuǎn)速的不斷提高，電主軸基頻也同步加大，就會產(chǎn)生受迫振動，當(dāng)基頻上升到接近電主軸的共振頻率時，電主軸振動明顯增大，如果繼續(xù)升速，基頻也繼續(xù)增大并逐漸遠(yuǎn)離共振頻率時，振動逐漸減弱；當(dāng)基頻接近于下一個更高的共振頻率時，電主軸振動再次增大。這些振動峰值所對應(yīng)的基頻就是電主軸的共振頻率，其對應(yīng)的轉(zhuǎn)速就是電主軸的臨界轉(zhuǎn)速。所以提高動平衡的精度等級很有必要。

3 結(jié)束語

對300MD04Z24型電主軸進(jìn)行的動態(tài)性能試驗分析結(jié)果表明，該電主軸具有精度高、剛性好、振動低及動態(tài)性能穩(wěn)定可靠等特點，完全可以替代機(jī)械傳動作為機(jī)床的功能部件進(jìn)入高精度齒輪磨削領(lǐng)域。隨著電主軸設(shè)計制造技術(shù)的不斷提高，電主軸的優(yōu)越性能將在高精度齒輪磨削領(lǐng)域內(nèi)得到充分體現(xiàn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前仍然要繼續(xù)對該類電主軸進(jìn)行動態(tài)試驗分析，進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)積累和進(jìn)一步的研究。