高速数控车床主轴部件的动态特性分析.pdf

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同口速数控车床主轴部件的
动态特性分析

口杨霞张珂崔正兴任鞠萍滕立波
摘要：主轴部件是数控机床的关键部件，其动态性能的优劣将直接影响数控机床的最终加工性能，因此对数
控机床主轴系统的动态特性进行理论研究是具有非常重要的现实意义。通过采用弹簧阻尼单元来模拟轴承部分的
约束情况，利用ANSYS对某厂CKS6125型卧式数控车床轴部件动态性能进行研究，分析了主轴部件的模态／固有
频率和谐响应等动态特性。结合机床动态激振试验研究验证了有限元分析结果的准确性。为今后机床的性能改进和
动态设计提供了理论依据。
关键词：主轴模态固有频率有限元分析
为了提高产品设计的成功率，需要在产品设计过(2)主轴部件模态分析
程中，对产品的性能进行正确的评价，以便进行必要的图2一图5给出了能体现主轴部件振动特性的各
设计改进。采用虚拟样机制造技术，可以在产品的设计阶模态振型图。
阶段建立机床的虚拟模型，这不但可以对产品各个部娶，嚣
誊：：
件的相对运动进行干涉检查，而且还可以进一步对产
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品的性能进行分析和评价。’_一1一
主轴部件是数控机床的关键部件，其动态性能的
优劣将直接影响数控机床的最终加工性能，因此对数
图2主轴部件绕轴线旋转图3TOZ平面内的第一次弯
控机床主轴系统的动态特性进行理论研究是具有非常
重要的现实意义_1．z-。通过对CKS6125型卧式数控车床薹。=
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的主轴部件的动态性能进行分析和评价，结合机床性
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能试验对所给定的边界条件进行适当修正，用来提高一r
数控机床动态设计的准确性，为今后能在新产品开发
过程中应用仿真分析技术奠定了基础。
1、CKS6125数控车床主轴部件动态性能分析图4主轴部件拾轴线的平动图5主轴部件在YOZ平面的二次弯曲
(1)主轴部件有限元模型建立限制所有弹簧外侧硬点的全部自由度，对主轴部件
CKS6125卧式数控车床的的主轴组件主要包括传进行模态分析，得到主轴部件各阶无阻尼自由振动固有
动皮带轮、同步带轮、主轴、锁紧螺母和液压卡盘。有限频率及振型。表1给出了主轴部件前9阶固有频率。
表1主轴部件各阶固有频率(Hz)
元模型如图1所示。弹簧建模步骤为首先在轴承外圈
I阶数l1l2I3I4l5l6l718l9l
建立四个均布的关键点(KeyPoints)，在内圈相应位置
1I!：l垫：l!：I!堑：!I!望：I：I：!I!!：I
建立四个硬点(HardPT)，连接对应的关键点和硬点成
(3)主轴部件谐响应分析
直线，最后将这些直线划分为弹簧单元即可。模型中前
在主轴部件谐响应分析中，激振力加在工件上且
支撑有四根径向弹簧，后支撑也有四根径向弹簧，前支
距卡盘端面50mm处，大小为10N，沿Y轴负方向。
撑还有四根轴向弹簧用以模拟角接触球轴承承受轴向
力，共计十二根。输入主轴部件材料属性，其中主轴、液
压油缸和液压卡盘为钢，皮带轮的材料是铸铁。

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图6主轴部件前端径向响应幅频曲线图7主轴部件前端径向响应幅频曲线
计算主轴部件
元模型范围200～600Hz，，
看出，激振点在390Hz附近响应最大，幅值为2．32m，度，验证所建有限元模型的准确性。表2给出了有限元
此时动刚度为：K=F／=10／2．32=4．310N／m。分析与动态试验所得固有频率的比较。表3给出了前两
计算主轴部件在主轴二阶固有频率附近的响应，频阶模态的有限元分析与动态试验所得动刚度的对比。
率范围600—1000Hz，，计算结果如图7所示。从图中可以表2有限元分析与动态试验所得固有频率对比
看出，激振点在825Hz附近响应最大，幅值为1．72la,m，阶数有限元分析(Hz)动态试验(Hz)误差(％)
此时动刚度为K=F／入=10／1．72=5．814N／m。14344008．5
2、主轴部件试验研究28258806．25
(1)正弦激振试验装置3143415004．4
激振试验是在适当的位置对机床施加外部激振4215920007．95
力，通过测量激振信号和相应的响应信号及分析处理，表3有限元分析与动态试验所得动刚度的对比
获得机床的动态性能【51。机床主轴系统的激振试验采用阶数郁N／m)瓞淞(N／m)误差(％)
丹麦B&K公司的模拟正弦激振系统，信号发生器+测14．31O4．4683．53
量放大+跟踪滤波2010，测量放大器2610，功率放大25．8145．5285．17
器2706，跟踪滤波2020，记录仪2307，相位仪2971，电模态分析的各阶固有频率值与试验值比较接近，
荷放大器2635，加速度传感器4368和激振器4809。激误差控制在10％以内，谐响应分析中前两阶动刚度值
振点选在中50×75的工件上，距液压卡盘端面50mm，与试验吻合，误差不足5％。综