韓玉穩(wěn)， 楊 軍， 王 林， 董應(yīng)明

（云南省機(jī)電一體化應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 云南省先進(jìn)制造技術(shù)研究中心， 云南 昆明 650031）

0 引言

機(jī)床工作時(shí)，主軸受到靜態(tài)力和動(dòng)態(tài)力的作用，動(dòng)態(tài)力是一個(gè)變化的力，包括變化的切削力、主軸部件不平衡產(chǎn)生的交變力等。 在力的作用下，主軸產(chǎn)生振動(dòng)，主軸振動(dòng)會(huì)影響加工精度和工件的表面質(zhì)量，刀具和主軸部件的壽命。通過動(dòng)剛度試驗(yàn)，掌握主軸的抗振性是否滿足設(shè)計(jì)和使用需要，確保機(jī)床的加工精度和可靠性。

1 主軸動(dòng)剛度的定義和影響

主軸動(dòng)剛度是指主軸在動(dòng)載荷下抵抗變形的能力，即引起單位振幅所需要的動(dòng)態(tài)力。主軸部件的設(shè)計(jì)不只要求具有一定的靜剛度，而且要求具有足夠的抑制各種干擾力引起振動(dòng)的能力。

主軸動(dòng)剛度對(duì)加工精度和機(jī)床性能的影響： ①工件的尺寸誤差和形狀誤差；②加工效率；③機(jī)床的壽命。

主軸動(dòng)剛度試驗(yàn)在實(shí)踐中有正弦絕對(duì)激振和脈沖激振兩種方法，本文的試驗(yàn)采用脈沖激振方法，對(duì)某型號(hào)的臥式坐標(biāo)鏜床進(jìn)行主軸動(dòng)剛度試驗(yàn)，該機(jī)床屬于精加工機(jī)床，主電機(jī)功率為22kW，X、Y、Z 方向的最大切削抗力均為1500N，主軸采用油冷機(jī)冷卻。

2 主軸動(dòng)剛度試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)內(nèi)容及目的

通過對(duì)機(jī)床主軸系統(tǒng)在X 向、Y 向、Z 向分別進(jìn)行脈沖激振，得到機(jī)床主軸系統(tǒng)在不同方向的傳遞函數(shù)，又通過對(duì)傳遞函數(shù)的分析， 得到機(jī)床主軸部件的最大動(dòng)剛度和薄弱環(huán)節(jié)，分析主軸部件的動(dòng)剛度是否匹配。

2.2 試驗(yàn)參考依據(jù)

《金屬切削機(jī)床試驗(yàn)規(guī)范和技術(shù)規(guī)范選編》。

測量裝置示意圖如圖1 所示，儀器配置原理圖如圖2所示。

圖1 脈沖激振試驗(yàn)示意圖

圖2 脈沖激振試驗(yàn)儀器配置圖

2.3 試驗(yàn)條件和方法

2.3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)條件如下：

（1）試驗(yàn)的機(jī)床為按相關(guān)國家、行業(yè)等標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)合格的產(chǎn)品；

（2）試驗(yàn)時(shí)，機(jī)床各運(yùn)動(dòng)部件不做任何進(jìn)給或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，機(jī)床通電，機(jī)床主電機(jī)冷卻風(fēng)扇停止運(yùn)轉(zhuǎn)；

（3）試驗(yàn)時(shí)機(jī)床主軸不旋轉(zhuǎn)，在主軸上安裝Φ80 刀柄，刀柄端部不施加軸向力；

（4）激振點(diǎn)和拾振點(diǎn)都在Φ80 刀柄外圓上，拾振點(diǎn)的加速度傳感器盡量安裝在靠近安裝刀刃的位置；

（5）為消除噪聲干擾，采用5 次平均法消除隨機(jī)噪聲干擾；

（6）脈沖激振時(shí)，激振點(diǎn)和拾振點(diǎn)都盡量靠近，且激振方向和拾振方向相同；

（7）試驗(yàn)前，對(duì)整套儀器設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)。

2.3.2 儀器的參數(shù)設(shè)定、錘頭選取和錘擊力大小的確定

（1） 本試驗(yàn)采用BK 公司的8207 力錘進(jìn)行激振，4506B 三向加速度傳感器測量響應(yīng)，3660C LAN-XI 數(shù)據(jù)采集前端及l(fā)abshop 軟件分析、計(jì)算；

（2）分析帶寬設(shè)為1.6KHz，譜線數(shù)為1600，頻率分辨率為1Hz。 采用線性平均方式，5 次平均計(jì)算；

（3）試驗(yàn)前儀器聯(lián)機(jī)完成后，可用不同材質(zhì)的錘頭分別敲擊被測對(duì)象，觀察不同錘頭激起的頻率寬度，首先觀察力譜的衰減情況，并觀察響應(yīng)、頻響函數(shù)和相干函數(shù)，確定選擇的錘頭硬度及敲擊力能夠激勵(lì)起分析帶寬的有效頻帶；

（4）本試驗(yàn)選取的錘頭為硬塑料材質(zhì)。

2.3.3 測試數(shù)據(jù)分析

（1）頻響函數(shù)（FRF）。FRF，它是結(jié)構(gòu)的輸出響應(yīng)和輸入激勵(lì)力之比。 將測量的時(shí)域數(shù)據(jù)通過快速傅立葉變換（FFT）從時(shí)域變換到頻域，經(jīng)過變換，頻響函數(shù)最終呈現(xiàn)為復(fù)數(shù)形式，包括實(shí)部與虛部，或者是幅值與相位。

（2）動(dòng)柔度。動(dòng)柔度為結(jié)構(gòu)測點(diǎn)的響應(yīng)位移和輸入點(diǎn)激振力的傅里葉變換比值，其與動(dòng)剛度為倒數(shù)關(guān)系。

2.3.4 測試數(shù)據(jù)計(jì)算。

動(dòng)剛度可以通FRF 直接計(jì)算求出，或者通過動(dòng)柔度求倒數(shù)得出。 本文僅以X 向測量數(shù)據(jù)為例說明。

圖3 X 軸FRF

圖4 X 軸動(dòng)柔度曲線

圖5 X 軸相干函數(shù)

表1 主軸X向的動(dòng)剛度

2.4 試驗(yàn)結(jié)果

Y 向和Z 向FRF 見圖6～圖7，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)處理，主軸各向的動(dòng)剛度見表2。

圖6 主軸Y 向激振的頻響函數(shù)

圖7 主軸Z 向激振的頻響函數(shù)

表2 主軸各向的動(dòng)剛度

2.5 結(jié)果分析

從表2 可知，主軸在X 方向頻率為31.0Hz，對(duì)應(yīng)的動(dòng)剛度為15.4 N/μm；在Y 方向頻率為40.0Hz，對(duì)應(yīng)的動(dòng)剛度為21.0 N/μm； 在Z 方向頻率為40.0Hz 對(duì)應(yīng)的動(dòng)剛度為19.0 N/μm。

主軸的一階頻率和動(dòng)剛度值較低， 主軸的抗振性能較差。

3 結(jié)束語

本試驗(yàn)介紹了某機(jī)床主軸動(dòng)剛度的試驗(yàn)方法，普通機(jī)床也可用同樣的試驗(yàn)方法。通過機(jī)床主軸的動(dòng)剛度試驗(yàn)，了解掌握主軸的動(dòng)態(tài)特性，優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)機(jī)床主軸，提供機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能。