機床主軸系統(tǒng)的振動特性分析

【摘要】機床的主軸系統(tǒng)對于機床的加工的穩(wěn)定性、精確性具有重要的作用。對于加工精度來說，機床主軸系統(tǒng)的振動對其產(chǎn)生影響的重要因素。本文通過對機床主軸系統(tǒng)有限元模型的建立和分析，對主軸系統(tǒng)的振型和頻率進行分析，并對主軸系統(tǒng)振動影響的主要因素，如支承跨距和支承剛度等對于振動特性的影響進行分析和討論。

【關(guān)鍵詞】機床主軸系統(tǒng)；ANSYS；支承剛度；支承跨距；固有振動特性

機床主軸系統(tǒng)是機床重要的組成部件，直接影響機床的加工精度。機床主軸系統(tǒng)在運行過程中，其固有的振動特性對于機床加工精度產(chǎn)生影響，因此，必須研究其振動的頻率和類型以及其在結(jié)構(gòu)參數(shù)方面的特性，在主軸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計上對振動的發(fā)生加以避免，提高機床的加工質(zhì)量和精度。近年來，對機床主軸系統(tǒng)的動態(tài)性能的研究已經(jīng)成為一項重要課題得到國內(nèi)外大量專家學者的關(guān)注，也出現(xiàn)了很多的研究方法。其中，有限單元法在機床主軸系統(tǒng)的動態(tài)性能研究方面受到了社會上越來越多的人的廣泛關(guān)注。

本文以普通機床主軸系統(tǒng)為研究對象，通過ANSYS軟件建立了機床主軸系統(tǒng)的有限元分析模型，對其動態(tài)性能進行研究，尤其在支承跨距和支承剛度的結(jié)構(gòu)參數(shù)對振動特性的影響方面進行了較為詳細的分析。

1、機床主軸系統(tǒng)有限元模型的建立

在進行主軸系統(tǒng)的有限元模型的建模時，為了便于計算，以滿足主要因素研究為基礎(chǔ)，對于次要因素可以對其忽略。以某一機床主軸為例，對其進行有限元模型的建立，如圖1所示：

主軸總長為870mm，采用了20節(jié)點單6面體單元，因此可以運用復雜性高的形狀函數(shù)來更形象的表達實際的變形，以提高計算的準確度。模型上將軸承接觸非線性的影響忽略掉，形成后端固定、前端游動的結(jié)構(gòu)。如果假設由4個彈簧均勻分布來組成彈性支承系統(tǒng)，參照圖1中橫斷面的彈簧分布圖，在主軸與彈簧的節(jié)點處加上UZ約束，另一端可設置成完全約束的狀態(tài)。

2、主軸系統(tǒng)固有振動特性分析

2.1 固有振動特性的分析

首先進行工況的設定，本文研究設定的工況為：支承間距為620mm，支承剛度為345345kN/mm，用Block Lanczos法對固有振動特性模態(tài)進行提取，得到8種動態(tài)振型。將機床主軸系統(tǒng)的8中模態(tài)階數(shù)和振型特征進行分析計算，其結(jié)果如下表1所示：

2.2 支承跨距和位置對振動特性的影響分析

支持跨距作為一個重要影響因素，在本次研究中，結(jié)合車床本身具有的結(jié)構(gòu)特征對其影響作用加以分析。工況設置中仍然為兩支承狀態(tài)，保持前支承位置不變，只是將后支承的位置向前移動，保持兩支承的間距在370mm。通過對其有限元模型的建立和分析得出改變跨距狀態(tài)下模態(tài)分析結(jié)果，見下表2：

再參見下圖2中所示，（1）、（2）、（3）分別為鉛垂平面內(nèi)，主軸系統(tǒng)繞Y軸的彎曲振型、繞X軸的兩搖擺振型和繞X軸頭部完全加搖擺振型：

將表（1）和表（2）進行對比，再綜合圖2的振型顯示分析可以看出，當支承位置和跨距發(fā)生改變時，其主軸的振型也隨之發(fā)生了變化，發(fā)生最大位移的位置也有所改變。在固有頻率的上有所減小。

2.3 支承剛度的變化對振動特性的影響

對支承剛度變化的影響力研究，取不同的支承剛度，進行主軸系統(tǒng)振動頻率和綜合變形的分析。通過設置三個等級支承剛度研究發(fā)現(xiàn)，振動的各階固有頻率隨著支承剛度的增加而相應的有所增加，由此可以得出，主軸系統(tǒng)支承剛度的增加，對其抗振力的提高具有積極作用。

3、結(jié)語

綜上分析，支承位置的改變，支承跨距的變化影響主軸系統(tǒng)的抗振性能，跨距的加大會是抗振能力隨之加大。主軸的支承剛度對于扭轉(zhuǎn)和彎曲模態(tài)以外的其它模態(tài)影響較大。在日后的工作實踐中，對主軸系統(tǒng)的振動特性仍然需要更加深入的探索和研究，探索提高的主軸抗振性能的更好的方法和途徑。

參考文獻

[1]徐燕申，張學玲.基于FEM的機械結(jié)構(gòu)靜、動態(tài)性能優(yōu)化設計[J].西南交通大學學報，2012（10）：517-520.

[2]羅筱英，唐進元.結(jié)構(gòu)參數(shù)對砂輪主軸系統(tǒng)動態(tài)性能的影響[J].機械工程學報，2011，43（3）：128-134.