机床主轴动刚度试验分析

韩玉稳， 杨 军， 王 林， 董应明

（云南省机电一体化应用技术重点实验室 云南省先进制造技术研究中心， 云南 昆明 650031）

0 引言

机床工作时，主轴受到静态力和动态力的作用，动态力是一个变化的力，包括变化的切削力、主轴部件不平衡产生的交变力等。 在力的作用下，主轴产生振动，主轴振动会影响加工精度和工件的表面质量，刀具和主轴部件的寿命。通过动刚度试验，掌握主轴的抗振性是否满足设计和使用需要，确保机床的加工精度和可靠性。

1 主轴动刚度的定义和影响

主轴动刚度是指主轴在动载荷下抵抗变形的能力，即引起单位振幅所需要的动态力。主轴部件的设计不只要求具有一定的静刚度，而且要求具有足够的抑制各种干扰力引起振动的能力。

主轴动刚度对加工精度和机床性能的影响： ①工件的尺寸误差和形状误差；②加工效率；③机床的寿命。

主轴动刚度试验在实践中有正弦绝对激振和脉冲激振两种方法，本文的试验采用脉冲激振方法，对某型号的卧式坐标镗床进行主轴动刚度试验，该机床属于精加工机床，主电机功率为22kW，X、Y、Z 方向的最大切削抗力均为1500N，主轴采用油冷机冷却。

2 主轴动刚度试验

2.1 试验内容及目的

通过对机床主轴系统在X 向、Y 向、Z 向分别进行脉冲激振，得到机床主轴系统在不同方向的传递函数，又通过对传递函数的分析， 得到机床主轴部件的最大动刚度和薄弱环节，分析主轴部件的动刚度是否匹配。

2.2 试验参考依据

《金属切削机床试验规范和技术规范选编》。

测量装置示意图如图1 所示，仪器配置原理图如图2所示。

图1 脉冲激振试验示意图

图2 脉冲激振试验仪器配置图

2.3 试验条件和方法

2.3.1 试验条件

试验条件如下：

（1）试验的机床为按相关国家、行业等标准检验合格的产品；

（2）试验时，机床各运动部件不做任何进给或旋转运动，机床通电，机床主电机冷却风扇停止运转；

（3）试验时机床主轴不旋转，在主轴上安装Φ80 刀柄，刀柄端部不施加轴向力；

（4）激振点和拾振点都在Φ80 刀柄外圆上，拾振点的加速度传感器尽量安装在靠近安装刀刃的位置；

（5）为消除噪声干扰，采用5 次平均法消除随机噪声干扰；

（6）脉冲激振时，激振点和拾振点都尽量靠近，且激振方向和拾振方向相同；

（7）试验前，对整套仪器设备进行校准。

2.3.2 仪器的参数设定、锤头选取和锤击力大小的确定

（1） 本试验采用BK 公司的8207 力锤进行激振，4506B 三向加速度传感器测量响应，3660C LAN-XI 数据采集前端及labshop 软件分析、计算；

（2）分析带宽设为1.6KHz，谱线数为1600，频率分辨率为1Hz。 采用线性平均方式，5 次平均计算；

（3）试验前仪器联机完成后，可用不同材质的锤头分别敲击被测对象，观察不同锤头激起的频率宽度，首先观察力谱的衰减情况，并观察响应、频响函数和相干函数，确定选择的锤头硬度及敲击力能够激励起分析带宽的有效频带；

（4）本试验选取的锤头为硬塑料材质。

2.3.3 测试数据分析

（1）频响函数（FRF）。FRF，它是结构的输出响应和输入激励力之比。 将测量的时域数据通过快速傅立叶变换（FFT）从时域变换到频域，经过变换，频响函数最终呈现为复数形式，包括实部与虚部，或者是幅值与相位。

（2）动柔度。动柔度为结构测点的响应位移和输入点激振力的傅里叶变换比值，其与动刚度为倒数关系。

2.3.4 测试数据计算。

动刚度可以通FRF 直接计算求出，或者通过动柔度求倒数得出。 本文仅以X 向测量数据为例说明。

图3 X 轴FRF

图4 X 轴动柔度曲线

图5 X 轴相干函数

表1 主轴X向的动刚度

2.4 试验结果

Y 向和Z 向FRF 见图6～图7，对采集到的数据处理，主轴各向的动刚度见表2。

图6 主轴Y 向激振的频响函数

图7 主轴Z 向激振的频响函数

表2 主轴各向的动刚度

2.5 结果分析

从表2 可知，主轴在X 方向频率为31.0Hz，对应的动刚度为15.4 N/μm；在Y 方向频率为40.0Hz，对应的动刚度为21.0 N/μm； 在Z 方向频率为40.0Hz 对应的动刚度为19.0 N/μm。

主轴的一阶频率和动刚度值较低， 主轴的抗振性能较差。

3 结束语

本试验介绍了某机床主轴动刚度的试验方法，普通机床也可用同样的试验方法。通过机床主轴的动刚度试验，了解掌握主轴的动态特性，优化改进设计机床主轴，提供机床的动态性能。