数控车床主轴静动态特性研究
摘要：本文针对某公司生产的NL50系列车床SA和SC两个型号的主轴箱部件进行静力学、模态及振动分析，对比SA和SC两个型号主轴箱部件的静态变形、动态刚度、振型和振动特性。并通过频响函数测试，验证了有限元分析结果，分析出振动原因。
目前某公司生产批量较大的N L50系列车床，其中的SA型号机床存在不同程度的振刀现象，而SC型号没有振刀现象。机床振动的原因是非常复杂的，本文通过对主轴箱部件进行静力学、模态及振动分析，对比SA和SC两个型号主轴箱部件自身静态刚度、振动特性。同时也对机床进行振动测试、频响函数测试，通过对比，分析了产生振动的主要原因。
1. 轴承刚度计算及分析
车床N L50标准机型内部构造为轴承联接主轴与外壳结构，如下图1所示。SA与SC型号区别主要是箱体结构不同。其中主轴前端轴承为三列7022A5，中预紧，为DBD组合。后轴承为两列NSK7020C，中预紧，为DB组合。前端DBD组合后 ， 轴向刚度：Sa= 1.48×441= 661 . 56N/μm ； 径向刚度 ：S r =2×1.54×441=1 358N/μm。后端 D B 组合后 ， 轴向刚度：Sa= 187N /μm ； 径向刚度 ：S r =5×Sa=935N/μm。
按照上述的计算的刚度数值，在有限元软件中对轴承材料进行调整模拟，前轴承DBD组合后，最终得到的结果如表1所示，分析结果如图2所示，最终使得该模型的刚度与实际相近。经过多次数据调整，前端轴承的模型刚度（径向刚度和轴向刚度）与实际轴承的刚度几乎一致，达到了轴承模拟的效果。
图1 NL50系列机型主轴部件轴承布置
表1 前轴承径向刚度和轴向刚度参数
表1 前轴承径向刚度和轴向刚度参数
图2 前轴向刚度模拟数据
同样，按照刚度计算方法进行材料调整，后轴承DB组合后最终得到的结果如表2所示，分析结果如图3示。因为后轴承NSK7020C不承受轴向力，所以轴向刚度暂时忽略。
2. 主轴箱部件的静力学分析
按照实际箱体载荷及约束条件，利用有限元软件分别对N L502S A和N L502S C进行静力学分析，在距离卡盘端面150mm处施加切削载荷，主切削力为1800 N ，径向力为 550N 。分别提取整体部件、主轴箱和工件端面的分析结果，其中图4、图5为N L502SA 的结果，图 6 、图 7 为NL502SC的结果。
图3 后轴向刚度模拟数据
图4 NL502SA主轴箱部件变形
表2后轴承径向刚度和轴向刚度参数
从上面的分析可以看出SA型号的主轴箱部件变形为0.051 3mm，主轴箱变形为 0.008 2m m。S C型号的主轴箱部件变形为0.048mm，主轴箱变形为0.006mm。静刚度对比如图8所示，SC型号的静刚度明显高于SA型号。
3. 主轴箱部件的模态分析
在相同约束条件下（约束螺栓孔），分别对N L502S A和N L502S C进行约束模态分析，分别提取对切削振动影响较大的几阶固有频率振型云图，其中图9～图11为NL502SA的结果，图
12～图14为NL502SC的结果。
图5 NL502SA 主轴箱变形
图6 NL502SC主轴箱部件变形
图7 NL502SC主轴箱变形
图8 SA与SC型号的静刚度对比
从模态分析结果可以看出，SA主轴箱部件固有频率低于SC，振型类似。其中第1、第2阶为带轮摆动，对加工振动影响较小，没有列举。第3～第5阶振型为卡盘和工件的摆动，其中卡盘和工件的摆动对加工的振动影响较大，对比如图15所示。
图9 NL502SA第3阶振型
图10 NL502SA第4阶振型
图11 NL502SA第5阶振型
图12 NL502SC第 3阶振型
图13 NL502SC第4阶振型
图14 NL502SC第5阶振型
图15 SA与SC型号模态对比
4. 主轴箱部件的动态特性
分析在相同约束条件下（约束螺栓孔），在距离卡盘端面150mm处施加切削载荷，主切削力为 1800 N ，径向力为 5 5 0 N ，并且分别对NL502SA和NL502SC进行谐响应分析，频率范围为100
～300H z，频率间隔为2H z，初始相位为0°。图16为NL502SA主轴箱部件的谐响应曲线，图17为相位变化曲线。
从图16曲线中可以看出 ，NL502SA主轴箱在215Hz、220H z、238H z和255H z时，振幅增大，并且从图17可以看出此时相位发生180°的变化，说明这些频率是结构的一些固有频率。N L502S C
主轴箱部件的谐响应曲线如图18所示，相位变化曲线如图19所示。
从上面的图18曲线中可以看出，NL502SC主轴箱在174Hz、214H z、222H z和254H z时，振幅增大，并且从图19可以看出此时相位发生180°的变化。说明这些频率是结构的一些固有频率。
图16 NL502SA谐响应曲线
图17NL502SA相位变化
图18 NL502SC谐响应曲线
图19 NL502SC相位变化
5. 机床切削振动测试
利用东方所DASP-V10振动测试分析设备对N L50机床进行振动和动刚度测试如图20所示。S A型号主轴端振动频谱如图21所示，从图中可以看出振动特征频率为238Hz。振动在主切削力方向的动刚度曲线如图22所示，从图中可以看出在238Hz处有明显的峰值，说明某一阶固有频率为238Hz。
S C 型号主轴端振动频谱如图23所示，从图中可以看出无明显的振动特征频率。振动在主切削力方向的动刚度曲线如图24所示，从图中可以看出在195Hz、278Hz 处有明显的峰值，说明195H z
、278H z分别是结构的某阶固有频率。
从切削振动测试和频响函数测试发现，S A振动频谱中有明显的振动特征频率238Hz，而S C 系列没有；并且在 S A 系列的频响曲线中看到明显的固有频率238Hz，而SC系列固有频率为195Hz、
278Hz。
图20 NL50机床进行振动和动刚度测试
图21 NL502SA振动频谱图
图22 NL502SA频响曲线
图23 NL502SC振动频谱图
图24 NL502SC频响曲线
6. 结语
本文分别对NL50系列的SA和SC型号机床的主轴箱进行了静力学分析、模态分析和谐响应分析，并对机床进行了振动测试和频响测试，主要结论：
来源：
纽威机床设计研究院 （江苏苏州 100007） 卢强
北方自动控制技术研究所 （山西太原 030006） 左锋
纽威数控装备（苏州）有限公司 （江苏 100007） 朱军
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