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      摘要: 結(jié)合VMC850E 加工中心的跟蹤模態(tài)測試數(shù)據(jù)，對整機的有限元模型進行修正并進行模態(tài)分析，得到了整機模態(tài)分布表; 考慮到現(xiàn)有測試方案中沒有排除主軸熱變形的影響，對現(xiàn)有方案進行改進，結(jié)合加工中心的模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)了影響主軸動態(tài)誤差的主要原因: 主軸軸承發(fā)熱和共振。為主軸動態(tài)誤差的減小和機床切削參數(shù)優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

     關(guān)鍵詞: 模態(tài)分析; 主軸動態(tài)誤差; 主軸軸承發(fā)熱; 共振
 

     主軸是VMC850E 立式加工中心的核心部件，其動態(tài)誤差直接影響到機床的工作性能和壽命、工件工圓度、表面粗糙度和平面度等［1］。主軸動態(tài)誤差包括3 種形式: 徑向跳動誤差、軸向竄動誤差和角度擺動誤差。通常這3 種形式的誤差并不獨立存在，其反映到工件上的加工誤差也是3 種形式的綜合影響，也稱為主軸軸心漂移 現(xiàn)有很多關(guān)于主軸的動態(tài)誤差方面的研究，孫艷芬［3］等分析了主軸回轉(zhuǎn)誤差對工件加工精度的影響;劉闊［4］等針對立式加工中心主軸動態(tài)誤差提出測試方案及相關(guān)分析; 彭萬歡等［5］分析了主軸偏心的影響和作用原理，并提出了合適的偏心消除方法。

     本文依托VMC850E 加工中心的跟蹤裝配模態(tài)測試數(shù)據(jù)，對有限元模型進行修正并進行模態(tài)分析，得到前9階模態(tài)振型和固有頻率。現(xiàn)有對主軸回轉(zhuǎn)誤差的測試方案并沒有排除主軸熱變形對其影響，因此文中對現(xiàn)有方案進行改進，得到不同轉(zhuǎn)速下的主軸回轉(zhuǎn)誤差試驗數(shù)據(jù)。結(jié)合有限元模型計算得到的模態(tài)分布結(jié)果，對主軸動態(tài)誤差峰值和對應(yīng)頻率進行了分析，發(fā)現(xiàn)影響主軸動態(tài)誤差的兩大主要原因: 主軸軸承發(fā)熱和共振。

      
  
                       表1 整機前九階固有頻率與振型

    
  
  
    2 、改進測試方案
 
    
    文獻［4］中對主軸動態(tài)誤差測試的現(xiàn)有方案采用“升速至測試轉(zhuǎn)速－ 測試－ 升速至下一測試轉(zhuǎn)速－ 測試”方法，每種轉(zhuǎn)速下測試3 次，溫度: 16 ～ 22 ℃，實驗條件: 機床在冷態(tài)下開始，滿足試驗前12 h 內(nèi)不工作，試驗時不許中途停車?，F(xiàn)有方案測試出的數(shù)據(jù)限于篇幅不再列出。

     為排除主軸熱變形對主軸動態(tài)誤差的影響，采用“升速至測試轉(zhuǎn)速－ 測試－ 主軸降速停止－ 冷卻－ 升速至下一測試轉(zhuǎn)速”這種新方案進行測試，得到如表2 ～ 4 所示的測試數(shù)據(jù)。測試設(shè)備為: API SPN － 300 主軸動態(tài)誤差分析儀、配套的測試軟件、3 個電容式傳感器、夾具和電源等; 采樣速率為256 000 次/s。測試的誤差項目為主軸2 個方向的徑向平均誤差和異步誤差、軸向平均誤差和異步誤差。各個誤差含義為［4］:平均誤差－ 機床在理想切削條件下所能加工出工件的最好圓度; 異步誤差是總誤差運動對平均誤差運動的偏離，代表在理想切削條件下機床所能獲得的加工表面粗糙度。

     將新方案得到的測試數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB，結(jié)合現(xiàn)有方案得到的數(shù)據(jù)，繪制兩種方案對比曲線( 即主軸徑向平均誤差和異步誤差與轉(zhuǎn)速的關(guān)系) 如圖3 所示。由圖3 發(fā)現(xiàn)，新方案中主軸動態(tài)誤差排除了主軸熱變形的影響，其數(shù)值比現(xiàn)有方案大大減小。說明主軸軸承發(fā)熱引起的熱不平衡量導(dǎo)致動態(tài)數(shù)值明顯增大，通過減少發(fā)熱，可以{ 有效減小動態(tài)誤差。將圖3進一步與模態(tài)分布表1 相比較可發(fā)現(xiàn): ( 1) 在2 500r /min、6 500 r /min出現(xiàn)波動峰值，對應(yīng)其頻率為42 Hz、108． 3 Hz，其數(shù)值接近整機模態(tài)的2、9 階固有頻率;( 2) 在1 000r /min、5 000 r /min、6 500 r /min 出現(xiàn)波動峰值，其對應(yīng)頻率為: 17 Hz、83 Hz、108． 3 Hz，其數(shù)值接近整機模態(tài)的1、6、9 階固有頻率; ( 3 ) 在2 500r /min、4 000 r /min、5 500 r /min 出現(xiàn)波動峰值，其對應(yīng)頻率為: 42 Hz、67 Hz、92 Hz，其數(shù)值接近整機模態(tài)的2、5、7 階固有頻率; ( 4) 在4 500 r /min、5 500 r /min 出現(xiàn)波動峰值，其對應(yīng)頻率為75 Hz、92 Hz，其數(shù)值接近整機模態(tài)的5、7 階固有頻率。由此發(fā)現(xiàn)，主軸回轉(zhuǎn)誤差波動峰值源于由主軸箱對應(yīng)的各階振動模態(tài)所引起的共振。

 
                                  表2 主軸徑向動態(tài)誤差測試數(shù)據(jù)

 
                                               表3 主軸軸向動態(tài)誤差測試數(shù)據(jù)( 部分)

                                    表4 最小徑向間隙( 部分)

  
      3 、結(jié)語
   
     根據(jù)跟蹤裝配模態(tài)測試數(shù)據(jù)，對VMC850E 加工中心有限元模型進行修正并進行模態(tài)分析得到前九階固有頻率和振型，采用API 動態(tài)誤差分析儀對加工中心主軸的徑向平均誤差和異步誤差、軸向平均誤差和異步誤差以及主軸最小徑向間距進行了測試，由于現(xiàn)有測試方法中沒有排除主軸熱變形的影響，對方法進行改進并得到詳細(xì)的測試數(shù)據(jù)，仿真出各誤差項與轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖，最后結(jié)合有限元分析得到的模態(tài)結(jié)果進行比較，發(fā)現(xiàn)主軸軸承發(fā)熱和共振是影響主軸動態(tài)誤差的主要原因。所以，要保證主軸平穩(wěn)運行，獲得較高的表面加工質(zhì)量則必須使工作轉(zhuǎn)速嚴(yán)格避開整機及刀具－ 主軸系統(tǒng)的各階固有頻率。