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机床主轴部件静刚度研究与试验

2022-07-23 作者:火狐体育官网   来源:火狐体育官方网站app

  摘 要:主轴部件是数控机床的重要组成部分,其性能的好坏对 机床的性能有着重要的影响。为了提高机床的设计水平,将现代化的 设计方法应用于机床的设计,本文对数控机床主轴部件的动态性能进 行研究与试验。

  关键词:主轴部件;静刚度 前言: 主轴部件是数控机床的关键部件,在其前部安装工件、刀具,直 接参与切削加工,对机床的加工精度,工件表面质量和生产效率有很 大的影响,其性能的好坏将对机床的最终性能和加工工件的质量有非 常重要的影响。据研究表明中型车床在不同频率的动载荷作用下,各 个部件反映在刀具与工件切削处的综合位移中主轴部件所占比例最 大。 1.数控机床的主轴部件常用的结构主对于数控机床的主轴部件 常用的结构主要有以下几种形式: (1)对于高速高精度机床,为了实现高的主轴转速,采用主轴 电机结构; (2)对于中等要求的数控机床,采用主轴电机,驱动经过减速 机构驱动(采用齿轮传动和同步带传动)的专用主轴生产厂生产的主 轴;

  (3)对于一般的数控机床(经济型数控机床),采用交流电机经 过皮带传动,再经过主轴变速箱体(其结构与普通机床的主轴箱有很 大的不同)实现主轴的变速。

  数控机床的主传动无论采用上面那种结构,设计人员都应该非常 重视主轴部件的设计和机床主轴部件的动态性能。采用传统的设计方 法,在机床的物理样机制造出来之前,人们不能准确知道机床及其主 轴部件的动态性能,需要制造出物理样机通过试验来确定,一旦设计 达不到要求性能,一切需要重来。

  2.轴承的刚度 机床主轴支承一般都是采用滚动轴承,主轴的支承刚度是最重要 的参数之一,它直接影响到动力学模型的精确度。刚度是主轴轴承动 态性能的主要评价指标,轴承的动态性能对主轴轴承系统的工作精度 和抗振能力有很大的影响。对于主轴系统来说,轴承的刚度影响约占 40%左右。 2.1 轴承刚度概况 轴承抵抗在外载荷作用下变形的能力称为轴承的刚性,利用轴承 刚度来表示,轴承。刚度是轴承在某一状态下所受的外加载荷改变量 与其内、外套圈之间相对位移改变量的比值。 k――为轴承刚度: ?驻 F――为外加载荷的改变量,负荷可以为力或力矩;

  轴承的状态指轴承的转速,内、外圈温差,预紧力以及游隙和负 荷。游隙定义为一个套圈固定,另一个套圈不受外负荷时,沿径向或 轴向从一个极限位置到另一个极限位置的移动量,按照移动方向,前 者称为径向游隙,后者称为轴向游隙。轴承滚动体与滚道间在无载荷 情况下的接触为点接触或线接触,承受载荷后接触面积随着载荷的增 大而增大。因此,轴承的刚度不是一个常数,而是随着载荷的改变而 改变。

  2.3 轴承的动刚度计算 根据轴承受力分析,在实际工作中,轴承在径向载荷 F0 只和弯 矩 M0 的作用下,内圈与外圈之间会产生径向相对位移 δ 和相对的倾 角 θ,因此轴承的刚度可以表示为……个 2×2 矩阵。 2.4 主轴刚度计算 采用 ansys 对主轴进行有限元分析,在模型上采取三维实体单元 模型,在支承处限制全部自由度,然后在主轴前端处施加 UY 方向力, ANSYS 分析计算后静力变形如图 2.1; 3.主轴静刚度试验 主轴部件的动态特性主要是指其抵抗受迫振动及自激振动的能 力。从现有数控加工中心的实际情况来看。抵抗受迫振动一般都没有 问题,而对主轴部件的研究主要是确定不产生切削自振的条件。由于 切削自振频率往往接近于主轴部件横向振动的低阶固有频率,所以可

  以认为主轴部件的低阶横向振动模态是决定其切削自振的主要模态。 因而可以认为在分析主轴部件时,主轴前端切削部件激振点的动柔度 反映了主轴部件的抵抗能力。

  3.1 实验原理及装置 静刚度是在静力载荷下测定机床刚度,方法简单易行,测试结果 直观。但缺点是不能反映切削过程中的载荷作用下发生的复杂情况, 但可以通过静刚度计算动刚度,二者关系如下: 式中 KD―动刚度; K 一当量静刚度; λ 一频率比: ξ 一阻尼比。 可见动刚度和静刚度成正比。在试验中,采用单向加载,试验主 要设备主要用测力计、千分表。 3.2 实验结果和计算 试验结果如表 3.1。 对以上数据进行计算可以得到主轴的静刚度 490N: 490/1.83=267.76N / μm 980N: 980 / 3.88=252.58N / μm 结论 本文通过对主轴部件的静刚度试验,得到了主轴部件的静刚度和 动刚度,对理论分析结果进行了验证。

  参考文献 [1]杨光、王玉丹.传递矩阵法进行电主轴的动力学特性分析[J], 机械设计与制造,2001,(3):50-5l [2]张波,虎恩典,陈天宁,陈花龄,刘保东.数控机床主轴部件 动态优化设计,机械设计,2004,21(5):33-35


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