螺旋錐齒輪磨床用電主軸動態性能分析

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.湖南中大創遠數控裝備有限公司，長沙 410000)

1 電主軸結構及技術參數

螺旋錐齒輪是國防、能源、運載、裝備制造業及交通等領域中重要裝備的關鍵零件，其形狀及精度要求高，磨削軌跡復雜。磨削螺旋錐齒輪使用的擴口杯砂輪受力復雜多變，所以數控螺旋錐齒輪磨床一般均采用5軸聯動實現齒輪嚙合曲線加工，加工范圍為63.5～457.2 mm。齒輪磨床用電主軸的轉速要求為1000～8000 r/min。300MD04Z24型電主軸可以滿足主機上述要求。該主軸技術參數為：額定功率33 kW，工作轉速1 500～3 500 r/min，額定轉速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穩定性。

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口高速高精度角接觸球軸承，通過增大軸徑來提高轉軸的剛性。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，以增加轉軸的剛度，減小轉軸伸出端的受力變形量[1-2]。

2 動態性能分析

電主軸為高速運轉部件，其動態性能直接影響機床的性能和加工產品的表面質量，對于高精度加工機床，動態性能尤為重要。評價電主軸動態特性的方式主要包括振動頻譜分析、動剛度分析和臨界轉速分析等。

2.1 振動頻譜分析

頻譜分析是目前用于機械故障診斷最有效、最快捷的方法之一。在電主軸的批量生產中，其合格的判斷標準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)進行測試分析，電主軸空載狀態下，分別在1 000，1 500，2 000，2 500，3 000 r/min各運行60 min，在3 400和3 500 r/min各運行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，通常要求在最高轉速頻率內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：在不同轉速下(3 500 r/min除外)，振動值均在1.5 mm/s以下，符合標準要求。3 500 r/min時可以通過動平衡(主軸凸緣上設有做動平衡專用的螺紋孔，可以依據儀器測出的相位角和需要增加的質量進行準確的動平衡)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=主軸的轉速/60)上，由振動理論可知，這是由典型的電主軸轉軸(附帶轉子和旋轉件)不平衡所致，該頻率(基頻)是允許的。若基頻振動幅值過高，就可能對電主軸內部其他零部件帶來大的附加力，特別是在高速下，不平衡產生的附加力會很大，產生受迫振動，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生的變形，反映了主軸抵抗靜態力干擾的能力。動剛度是指主軸抵抗外界動態力的能力。電主軸工作狀態下受到的外載荷都是動態變化的，因此，動剛度是電主軸動態性能的一個極其重要的參數。

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遠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。電主軸處于靜止狀態，使用脈沖錘敲擊電主軸轉子前端，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

進行動剛度的檢測和分析。

2.2.2 動剛度曲線及分析

現以300MD04Z24電主軸為例進行動剛度分析。電主軸的低頻特性對動態性能影響最大，也是研究的重點。由于軸承預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，也表示動剛度數值的準確性，相干性數值最好為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，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，不僅要看動剛度數值的大小(動剛度的數值越大，抵抗發生共振破壞的能力就越強)，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分布的越少就越好，這樣可以保證電主軸工作時動態性能穩定，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內分布有兩階共振，共振峰較少，動剛度數值較大。說明電主軸的運動性能較穩定，抵抗外界動態激振力的能力較強。

2.3 臨界轉速分析

從振動的角度看，臨界轉速就是共振轉速。電主軸在實際運轉中要避開臨界轉速區域，電主軸轉速的設定一般取低于臨界轉速的70%或高于它的1.3倍，反之會發生共振現象，使振動增大，嚴重時會使電主軸發生抖動，影響使用壽命。在理論上，一根電主軸有無限多個臨界轉速，但只有較低的幾個臨界轉速對實際產生影響，對較低的臨界轉速需要密切關注[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，即臨界轉速點。

圖6中存在55 ,113 和185 Hz 3個共振頻率。臨界轉速n和共振頻率f的關系為n=60f。當電主軸經過表2中3個臨界轉速附近時將發生共振，振動會被放大很多倍，造成電主軸受損。第2階和第3階臨界轉速均遠離工作轉速范圍，對電主軸沒有影響。而第1階臨界轉速3 300 r/min在電主軸工作轉速范圍內，故需要在電主軸驅動器中設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行測試，從3000r/min緩慢升速測量振動值，找到振動值超標點，然后從3 500 r/min緩慢降速，測量振動值，找到振動值超標點，兩個超標點之間的轉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，電主軸的標準振動值為1.5 mm/s，轉速3 260～3 320 r/min即為該電主軸需要屏蔽的轉速段。對磨床用電主軸來說，屏蔽掉幾十轉對電主軸的磨削效率幾乎不會產生影響。如果屏蔽的范圍較大，就需調整設計，提高電主軸臨界轉速點，具體措施是：在工藝允許的范圍內適當增大軸承的預緊力，提高軸承的剛度；合理選擇電主軸轉軸的支撐方式，合理分配各個支撐區間的質量和剛度；最大限度地降低轉軸及附加旋轉零件不平衡的影響；排除電主軸在裝配中出現的其他機械故障。

圖7 電主軸振動曲線圖

空載狀態下引起電主軸共振的因素主要有轉軸不平衡量，定/轉子安裝不同軸和轉軸上附加旋轉件安裝精度差等。隨著電主軸轉速的不斷提高，電主軸基頻也同步加大，就會產生受迫振動，當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，如果繼續升速，基頻也繼續增大并逐漸遠離共振頻率時，振動逐漸減弱；當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的基頻就是電主軸的共振頻率，其對應的轉速就是電主軸的臨界轉速。所以提高動平衡的精度等級很有必要。

3 結束語

對300MD04Z24型電主軸進行的動態性能試驗分析結果表明，該電主軸具有精度高、剛性好、振動低及動態性能穩定可靠等特點，完全可以替代機械傳動作為機床的功能部件進入高精度齒輪磨削領域。隨著電主軸設計制造技術的不斷提高，電主軸的優越性能將在高精度齒輪磨削領域內得到充分體現，具有廣闊的應用前景。目前仍然要繼續對該類電主軸進行動態試驗分析，進行大量的數據積累和進一步的研究。