主軸系統(tǒng)是機床發(fā)生振動的要害部件，分析主軸的動態(tài)特性可以了解機床的抗振才干和變形方法。分析中將主軸與支撐軸承簡化成一個彈性系統(tǒng)，一同將主軸旋轉(zhuǎn)發(fā)生的離心力當作結(jié)構(gòu)的預應力，該方法為主軸類零件的動態(tài)分析供應了新的思路。
導語
本文以數(shù)控自動上下料立式機床主軸系統(tǒng)為研討方針，研討主軸結(jié)構(gòu)規(guī)劃對主軸系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗振才干的影響。將主軸與支撐軸承簡化成一個彈性系統(tǒng)，將主軸旋轉(zhuǎn)發(fā)生的離心力當作預應力來進行分析，為主軸類零件分析供應了新的分析思路。
有限元方法被廣泛應用于機械工程類的分析核算中，本文對機床主軸進行有限元分析首先需求建立主軸的有限元模型，包括對主軸模型設定資料參數(shù)、區(qū)別網(wǎng)格和施加邊界條件，其間邊界條件可以考慮軸承的支撐要素，即在軸承支撐的方位添加具有剛度值的彈性捆綁條件。運用有限元方法我們可以對主軸進行模態(tài)分析與諧呼應分析。
1、主軸模態(tài)分析
當主軸翻滾時，質(zhì)心會偏離軸線使軸發(fā)生方向周期性改動的慣性力，這一慣性力是激起軸的橫向振動的主要原因。當主軸轉(zhuǎn)速挨近或通過自身臨界轉(zhuǎn)速時，其振動會顯得失常劇烈。模態(tài)分析可以判定安排的固有頻率和振型，從而避免主軸作業(yè)時發(fā)生過大振動。
主軸作為分析研討的方針選擇了兩種規(guī)劃結(jié)構(gòu)，一種是長軸結(jié)構(gòu)另一種是短軸結(jié)構(gòu)。可以看出，長軸結(jié)構(gòu)規(guī)劃中的主軸歸于細長軸，長度為736mm。而第二種規(guī)劃的空心短軸中軸長度明顯減小到280mm，直徑相對增大�？梢钥闯鲞@兩種方案中主軸結(jié)構(gòu)的形狀和標準都不相同，通過有限元分析可核算出結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)，對比效果判別哪種結(jié)構(gòu)更優(yōu)。
根據(jù)實踐情況，主軸作業(yè)時要遭到其他部件的捆綁，也就是要設置相應的捆綁條件。軸承作為支撐主軸的部件，它的支撐剛度對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的精度、抗振才干起著決定性作用。軸承對主軸的支撐即可仿照為主軸與軸承協(xié)作部位施加彈性捆綁(如圖3所示)，一同在主軸上端有鎖緊螺母和其他結(jié)構(gòu)捆綁主軸的X、Y、Z向自由度。
軸承支撐參數(shù)的辨認有多種方法，如傳遞函數(shù)法、直接法等，本文運用已有閱歷公式核算角觸摸軸承的剛度。主軸軸承選用定位預緊方法，在已知預緊力的情況下，可近似求得角觸摸球軸承的徑向剛度Kr：
按照已知的參數(shù)對主軸的有限元前處理進行設定，根據(jù)捆綁條件施加彈性捆綁，為了考慮轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時離心應力的影響需求給主軸設定一個轉(zhuǎn)速，即帶預應力的結(jié)構(gòu)模態(tài)分析。分析得到兩種結(jié)構(gòu)主軸的前3階模態(tài)效果。
由表1和表2可知，長軸的臨界轉(zhuǎn)速遠小于空心短軸的臨界轉(zhuǎn)速。加工時的轉(zhuǎn)速在3000r/min，空載轉(zhuǎn)速為3500r/min，而長軸的低階臨界轉(zhuǎn)速是3180r/min和3192r/min，由此可知，長軸加工時可能會發(fā)生較大振動，而短軸的臨界轉(zhuǎn)速遠大于實踐轉(zhuǎn)速，避免了發(fā)生共振的可能。
2、主軸諧呼應分析
諧呼應分析是研討物體遭到必定頻率范圍內(nèi)激振力時發(fā)生的變形和應力改動情況，研討方針主軸所遭到的捆綁條件與模態(tài)分析相同，施加載荷為60N·m的轉(zhuǎn)矩。別離以長軸和短軸前端一點進行位移變形的數(shù)據(jù)搜集，采樣距離4Hz，在轉(zhuǎn)矩載荷0Hz～80Hz試驗區(qū)間均勻得到20個采樣點。采樣頻率處的核算數(shù)據(jù)，可以分析主軸在該頻率區(qū)間受載荷下的變形情況。
3、結(jié)論
本文在模態(tài)分析過程中考慮了軸承的支撐剛度，并將主軸旋轉(zhuǎn)發(fā)生的離心應力作為預應力，求解得出所規(guī)劃主軸的低階固有頻率和振型。對比效果顯現(xiàn)空心短軸的動力學特性比長軸的更好。本文還對其做了諧呼應分析，效果標明在必定頻率改動的正弦力作用下空心短軸結(jié)構(gòu)的受力變形更小，這也與模態(tài)分析的效果相吻合。
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