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VDF-850 加工中心主軸單元結構分析

2017-5-31 來（lái）源：湄洲灣職業技術學院作者：齊曉霞

摘要：作（zuò）為數控機床最主要的功能部件，主（zhǔ）軸的性能對加工中心的安全（quán）及精度起著決定性作用（yòng）。本（běn）文對VDF-850 立式加工中心的（de）主軸結構進行詳（xiáng）細分（fèn）析，並采用丹（dān）麥必凱公司的檢測裝置完成對主軸的振動響應試驗，進而判斷引起主軸振動的振源（yuán）。

關鍵詞：加工中心主軸振動響應

引言

主軸作為加工中心的功能部件，是整套裝備中最重要的一種配件。它和刀具一起將主軸的（de）轉動（dòng）轉換為（wéi）工件的軸向移（yí）動，製成（chéng）零件成品。主軸單元作為加工中心的關鍵性單（dān）元，包括主軸、軸承、裝在主軸上的傳動帶輪、自動換刀（dāo）及準停裝置等。加工中心的轉速高，功率大，在加工時不（bú）能進行（háng）人工調整。這就要求主軸具有更好的回轉精度（dù）、抗（kàng）振性能、熱（rè）穩定性能、有較高的（de）結構剛度（dù）及（jí）精度的保（bǎo）持性[1]。主軸單元的工作（zuò）性能對數控機床的功能性質、零件品（pǐn）質及加工效率有著非（fēi）常明顯的作用。

1.主軸單（dān）元（yuán）結構分析

1.1　主軸單元主傳動

主軸的傳動單元將電（diàn）機的回轉運動轉換為刀庫軸的扭矩以及銑削（xuē）力。因此（cǐ），其變速區間要大，確保在零件加（jiā）工時有適合的切削量；主軸單元要有（yǒu）優良的抗振動能力、受（shòu）熱及受力（lì）時的形變（biàn）能力，以確保產品的（de）精（jīng）密度。VDF-850 立式（shì）加工中心主傳動采用 FANUC 交（jiāo）流伺服電機驅動，電機通過齒數比為 1:1 的齒形帶直接帶動主軸，通過改變主、從動帶輪直徑改變轉速和轉矩。主電機的角位移量通過光（guāng）電編（biān）碼器的光電轉換變為電脈衝當量，輸出到數控係統，確保主軸的剛性攻絲及準停。

1.2　主軸支承結（jié）構

主軸的支承件是主軸係統的主要部件，主要指軸承及（jí）軸承座，其中軸承是中心。采用（yòng）滾動軸承的支承轉速和載荷的（de）變化（huà）範圍大，有一定過（guò）盈量時也能穩定轉動，旋轉精度高，但是剛度不穩定，容易（yì）振動。滑動軸承的支承抗振動性能好，轉動過（guò）程平（píng）穩，但（dàn）是製造和維修困難。VDF-850 加工中心中，主軸的前軸承是兩個串聯使（shǐ）用的主軸（zhóu）專用精密 P4 級（jí）角接觸軸承，型號為 7012A5TYSUMP4，主要承受（shòu）較大的切削力。後軸承是用兩個背對背配（pèi）置的精密 P4 級高速滾柱軸承，型號為 7011A5TYSUMP4，主要承受轉（zhuǎn）矩。高速精密角接觸軸承的質（zhì）量輕、膨脹係數（shù）低、硬度高，使其高速運轉時的離心力（lì）及熱溫升減少，轉速得以提高，達到 8000r ﹒ min-1。

1.3　主軸端部（bù）

主軸的前端用於裝夾銑刀，這就（jiù）需要精（jīng）確的定位，裝配要牢（láo）靠且拆裝簡單容易，能夠傳送（sòng）轉矩。VDF-850 加工中（zhōng）心主軸前端有 NO.40（錐度為 7:24）的錐孔，用於裝配刀（dāo）杆，於錐形孔內進行定位。主軸部件的端麵鍵將主軸的回轉運動（dòng）傳給刀具軸。刀柄及拉杆螺栓見圖 1、圖 2。

2.主（zhǔ）軸空轉試（shì）驗分析

2.1　試驗方案

僅運行（háng）主電動機，做主軸的響應試（shì）驗。使主軸轉速從 45. r·min-1開始到最高轉速 8000 r·min-1結束，以（yǐ）200 ～ 500r·min-1的轉速級（jí）差進行空轉，每級轉（zhuǎn）速的運轉時間最少為 2 分鍾，在最高（gāo）轉（zhuǎn）速時運轉時間至少為 30 分鍾，測試（shì）時主軸軸承溫度值不能超過 60°。測量主軸前支撐位置在不同轉（zhuǎn）速下沿 X 軸、Y 軸、Z 軸的振動加速度響應[2-3]。對測試所得信號進行頻譜分析（xī），判斷振動是因係統內部（bù）回轉零件不平衡（héng）引起的還是因傳動係統（tǒng）外的其他振源引起的。將連接主軸和主電機的同步帶去掉，斷開主傳動係統後再進行響應試驗，進一步確定外部振源的存在性。若（ruò）是一直存在某一個振動頻率，則可以認定振動是由外界源引（yǐn）起的。

2.2　試驗條件

響應試驗使用（yòng）的是丹（dān）麥必凱公司的一套檢測裝置。在主軸箱前軸承處安（ān）裝對（duì）環境噪聲敏感度（dù）較低的微型加速度計，連接 PULSE 平台（tái）的 3560B/C/D 型數據采集前端，再與（yǔ）筆記本電腦點（diǎn）對點直連，組成振（zhèn）動實驗測試係統。測試係統簡圖如圖 3 所示

圖 3　振動測試係統簡圖

通過 7700pulse 分析係統的快速傅裏葉變化（Fast FourierTransform）分析儀完成采（cǎi）樣參數的設置，如圖 4、圖 5 所示。根據奈奎斯特采（cǎi）樣定理，采樣率應大於被（bèi）測信號頻率的 2 倍，才能避免頻率混疊現象，帶寬越大，所能顯示的信號（hào）頻率分量越豐富，也就能更加接近真實的信號波形。FFT 分（fèn）析儀在測量主（zhǔ）軸的（de）振動信（xìn）號時所需（xū）的最小帶寬，被測信號（hào）最（zuì）快上升時間為 25ms（10％～ 90％）：最高信號頻率f=0.5/25ms=200Hz，示波器帶寬 Span=1.0×200Hz=200Hz

VDF-850 主軸的轉動速率在 3000r·min-1以下時，確定分析帶寬為 Span=200Hz；在 FFT 分析儀中，采樣頻（pín）率Fs=2.56Span，此時采（cǎi）樣頻（pín）率為 Fs=512Hz。當主軸轉速超（chāo）過3000r·min-1時，確定分析帶寬 Span=400Hz，取采樣頻（pín）率（lǜ）Fs=1000Hz。

2.3　試驗結果分析

在進行響應檢測試驗前，應令主軸無負荷轉動 30 分鍾以上。轉速（sù）從 1000r·min-1開始到最高轉速 8000r·min-1結束，以 500r·min-1為間隔逐步升高，采集主軸箱前軸承處在不同（tóng）轉速（sù）下的振動參數。由（yóu） B ＆ K 公司的 Pulse 測量係統顯示並記錄所得數據，收集到的（de）部分轉速下的振動數據見（jiàn）表 1。

表 1　無負荷運轉時（shí）的響應數值

從檢測試驗獲（huò）得的響（xiǎng）應數值即可斷定：

（1）在主軸的前支承處沿徑（jìng）向的（de）振動速率達到極大值；

（2）從（cóng）圖6可知，主軸轉速在1000～4800r·min-1時出現頻率為 44.68 ～ 48.64Hz 的振動；當轉速在 4900 ～ 8000r·min-1 時，出（chū）現頻率（lǜ）為 75.19 ～ 77.64Hz 的振動。上述兩個頻率的振動應該是外部源引發（fā）的。

VDF-850 主軸部（bù）件總共兩個（gè）振源，頻率為 47.68Hz 和（hé）75.19Hz 左右，主軸結構在這兩個頻段內可能存在薄弱（ruò）點。VDF-850 加工中心主要動力源有主軸電機和冷卻泵電機，相關參數如表 2 所示。

表 2　VDF-850 使用電機的參數

從 VDF-850 加工中心電機的參數可知，冷卻泵電（diàn）機的頻率為 50Hz，與 44.68 ～ 48.64Hz 相（xiàng）接近（jìn），是振源之一；從主（zhǔ）軸轉速 - 頻率圖來看，轉速在 4800r·min-1以下（xià）出現頻率為44.68 ～ 48.64Hz 的（de）振（zhèn）動；轉速高於 4900r·min-1後，出現頻率為 75.19 ～ 77.64Hz 的振動（dòng），與冷卻泵（bèng）電機的頻率沒有關係。

3.結論

通（tōng）過對 VDF-850 加工中心進行主軸空運轉試驗，分析試驗結果發現：

（1）機床在（zài）空轉時存在頻率為 44.68 ～ 48.64Hz 和75.19 ～ 77.64Hz 的兩個強迫振動（dòng）。

（2）冷卻泵電機的自然頻（pín）率是 50Hz，與空轉響應試（shì）驗（yàn）中出現的頻率 44.68 ～ 48.64Hz 相差不大，可認為冷卻泵電機是引（yǐn）起機床主軸振動的振源之一。

（3）機床主軸在頻率為 75.19 ～ 77.64Hz 的區間存在薄弱模態。

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