淺談?dòng)绊憴C(jī)床主軸振動(dòng)特性的因素

摘 要：機(jī)床的主軸是機(jī)床重要的、對(duì)于機(jī)床的加工精度起關(guān)鍵性用的零部件。主軸系統(tǒng)共振引起的振動(dòng)是影響機(jī)床加工精度的一個(gè)主要因素。本文嘗試對(duì)機(jī)床主軸系統(tǒng)的有限元模型進(jìn)行構(gòu)建以及分析，對(duì)機(jī)床主軸系統(tǒng)重要參數(shù)——振型和頻率進(jìn)行重點(diǎn)分析，從而得出主軸的固有頻率、振型以及結(jié)構(gòu)參數(shù)（支承剛度、支承跨距等）對(duì)固有振動(dòng)特性的影響，為機(jī)床主軸系統(tǒng)及同類零部件的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)提供了有效的分析數(shù)據(jù)和可行的分析方法。

關(guān)鍵詞：機(jī)床主軸系統(tǒng)；支承剛度；支承跨距

中圖分類號(hào)：TG51 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-7712 （2015） 02-0000-02

機(jī)床作為生產(chǎn)的重要工具和設(shè)備，也被稱為工作母機(jī)，其加工性能與其動(dòng)態(tài)性能緊密相關(guān)，并將直接影響所加工零件的精度。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代制造企業(yè)對(duì)機(jī)床的生產(chǎn)效率及加工精度提出了更高的要求，而決定加工精度的機(jī)床組成部件主要是主軸系統(tǒng)。在主軸系統(tǒng)正常工作時(shí)，由于主軸系統(tǒng)的振動(dòng)屬性的存在而對(duì)精度造成很大的影響，因此為了要克服這種由于振動(dòng)帶來的影響，就需要從基本的振動(dòng)屬性加以研究分析，通過對(duì)振動(dòng)因素參數(shù)中的振動(dòng)類型和頻率進(jìn)行分析和研究，從而在機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，提高對(duì)主軸系統(tǒng)的穩(wěn)定性，最終從根本上提升機(jī)床整體的加工質(zhì)量和精度。在最近的幾年中，許多國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于機(jī)床主軸系統(tǒng)中的振動(dòng)特性進(jìn)行了大量的分析研究，研究方法主要為有限單元法和傳遞矩陣法。但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，有限單元法更受業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注。

本文以機(jī)床的主軸系統(tǒng)為分析對(duì)象，并使用ANSYS軟件構(gòu)建了機(jī)床主軸系統(tǒng)的有限元模型，并對(duì)其支承跨距和支承剛度這兩個(gè)影響振動(dòng)特性的參數(shù)進(jìn)行分析。

一、有限元及ANSYS介紹

有限元的基本思想是將物體（即連續(xù)的求解域）離散成有限個(gè)且按一定方式互相聯(lián)結(jié)在一起的單元的組合，來模擬或逼近原來的物體，從而將一個(gè)連續(xù)的無限自由度問題簡化為離散的有限自由度問題求解的一種數(shù)值分析法。近年來，有限元分析方法的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到所有工程領(lǐng)域，成為連續(xù)介質(zhì)問題數(shù)值解法中最活躍的分支。

二、機(jī)床主軸有限元模型的構(gòu)建

在進(jìn)行有限元模型構(gòu)建的時(shí)候，由于需要參考的因素很多，因此為了能夠方便計(jì)算，集中力量來對(duì)支承跨距和支承剛度進(jìn)行重點(diǎn)分析，因此對(duì)于次要的因素加以忽略。本文以機(jī)床主軸為分析對(duì)象，并對(duì)其進(jìn)行有限元模型的構(gòu)建。

使用Pro/E Wildfire 5.0建模，建模完成后再另存為選項(xiàng)中選擇IGES類型存盤，將建立的圖形導(dǎo)入到ANSYS中。

機(jī)械主軸材料為40Cr，彈性模量E=210Gpa泊松比0.3，密度為7.85g/cm*3。長度設(shè)定為630mm，并使用12節(jié)點(diǎn)單6面體單元，這樣的目的是可以使用較為復(fù)雜的形狀函數(shù)來較為客觀的描述實(shí)際機(jī)械主軸的變形，從而達(dá)到提高計(jì)算精準(zhǔn)度的目的。在此模型上由于計(jì)算速度原因故將非線性杰出軸承影響因素忽略，從而設(shè)定前端游走、后端固定的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其中，彈性支撐由4個(gè)彈簧分布在系統(tǒng)的四角，而且在主軸和彈簧的節(jié)點(diǎn)加上了UZ約束，而另一端則設(shè)置成了完全約束，如圖1，圖2為ANSYS中有限元模型圖。

三、機(jī)床主軸系統(tǒng)振動(dòng)特性分析

（一）固有振動(dòng)特性分析

在對(duì)固有振動(dòng)特性分析時(shí)，需要先進(jìn)行工況的具體設(shè)定。在本文的研究模型中的工況的情況是：支承間距400mm，而支承剛度為235245kN/mm，本文使用了Blck Lanczos提取法對(duì)主軸的固有振動(dòng)的特性模態(tài)進(jìn)行了不同的提取，一共得到了8種動(dòng)態(tài)振型。然后將這8種模態(tài)的階數(shù)數(shù)據(jù)和振型特征進(jìn)行分析和研究，結(jié)果如表1所示。

（二）支承跨距以及位置對(duì)于振動(dòng)特征的影響分析

在機(jī)床振動(dòng)特性分析中，支撐跨距是非常重要的參考因素，所以在本次研究中就結(jié)合了實(shí)際車床所特有的結(jié)構(gòu)特征對(duì)主軸振動(dòng)特征的影響作用進(jìn)行了分析。而在分析前的工況設(shè)定時(shí)，依然同固有振動(dòng)特性分析一樣，都使用了兩只承狀態(tài)，并保持了前支承位置固定，但將后支承的位置水平前移，并且保持兩只承的間距在180mm。然后通過對(duì)有限元進(jìn)行構(gòu)建和分析，從而能夠得出改變跨距狀態(tài)下的模態(tài)分析結(jié)果，結(jié)果如表2所示。

那么將主軸系統(tǒng)模態(tài)以及真行特征計(jì)算表和支承跨距改變時(shí)主軸系統(tǒng)模態(tài)分析表進(jìn)行比對(duì)分析，就可以得出：如果主軸系統(tǒng)的支承位置和跨距位置出現(xiàn)了位置偏移時(shí)，那么主軸的振型也必然隨著發(fā)生變化，而變化程度也和支承位置和跨距位置的偏移有直接關(guān)系，后支承前移，縮短兩支承跨距會(huì)降低主軸系統(tǒng)的抗振性能。

（三）支承剛度的變化對(duì)振動(dòng)特性的影響

對(duì)支承剛度變化的研究分析是，要根據(jù)不同的支承剛度同時(shí)在結(jié)合者主軸系統(tǒng)的振動(dòng)頻率以及綜合變形的分析，然后可以看到，振動(dòng)的各階固有頻率會(huì)隨著支承剛度的改變而發(fā)生變化，當(dāng)支承剛度增加時(shí)，那么固有頻率也會(huì)相應(yīng)增上升；當(dāng)支承剛度減少時(shí)，固有頻率也會(huì)相應(yīng)下降。因此可以得出結(jié)論：當(dāng)主軸系統(tǒng)的支承剛度增加時(shí)，那么對(duì)于主軸的抗振性就有一定的提升作用。

四、結(jié)束語

根據(jù)上述分析可以得出結(jié)論：當(dāng)支承位置發(fā)生改變，那么支承跨距的變化就會(huì)直接影響主軸系統(tǒng)的抗振性能，而且在適當(dāng)范圍內(nèi)跨距越大，抗振能力也會(huì)相應(yīng)提升。而主軸的支承剛度也決定了扭轉(zhuǎn)以及彎曲模態(tài)意外的模態(tài)影響。因此在以后的研究中，對(duì)于主軸系統(tǒng)的振動(dòng)性能需要進(jìn)行更深入、更徹底的研究，從而在不斷試驗(yàn)和應(yīng)用中找尋更好的提升主軸抗振的方法。

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[作者簡介]李俊韜（1994-）男，漢族，甘肅蘭州人，北京信息科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院機(jī)械工程系。