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机床主轴系统的振动特性分析

机床的主轴系统对于机床的加工的稳定性、精确性具有重要的作用。对于加工精度来说，机床主轴系统的振动对其产生影响的重要因素。本文通过对机床主轴系统有限元模型的建立和分析，对主轴系统的振型和频率进行分析，并对主轴系统振动影响的主要因素，如支承跨距和支承刚度等对于振动特性的影响进行分析和讨论。 

　　　机床主轴系统是机床重要的组成部件，直接影响机床的加工精度。机床主轴系统在运行过程中，其固有的振动特性对于机床加工精度产生影响，因此，必须研究其振动的频率和类型以及其在结构参数方面的特性，在主轴系统的结构设计上对振动的发生加以避免，提高机床的加工质量和精度。近年来，对机床主轴系统的动态性能的研究已经成为一项重要课题得到国内外大量专家学者的关注，也出现了很多的研究方法。其中，有限单元法在机床主轴系统的动态性能研究方面受到了社会上越来越多的人的广泛关注。 
　　本文以普通机床主轴系统为研究对象，通过ANSYS软件建立了机床主轴系统的有限元分析模型，对其动态性能进行研究，尤其在支承跨距和支承刚度的结构参数对振动特性的影响方面进行了较为详细的分析。 
　　1、机床主轴系统有限元模型的建立 
　　在进行主轴系统的有限元模型的建模时，为了便于计算，以满足主要因素研究为基础，对于次要因素可以对其忽略。以某一机床主轴为例，对其进行有限元模型的建立

主轴总长为870mm，采用了20节点单6面体单元，因此可以运用复杂性高的形状函数来更形象的表达实际的变形，以提高计算的准确度。模型上将轴承接触非线性的影响忽略掉，形成后端固定、前端游动的结构。如果假设由4个弹簧均匀分布来组成弹性支承系统，在主轴与弹簧的节点处加上UZ约束，另一端可设置成完全约束的状态。 
　　2、主轴系统固有振动特性分析 
　　2.1 固有振动特性的分析 
　　首先进行工况的设定，本文研究设定的工况为：支承间距为620mm，支承刚度为345345kN/mm，用Block Lanczos法对固有振动特性模态进行提取，得到8种动态振型。将机床主轴系统的8中模态阶数和振型特征进行分析计算，其结果如下表1所示： 
　　2.2 支承刚度的变化对振动特性的影响 
　　对支承刚度变化的影响力研究，取不同的支承刚度，进行主轴系统振动频率和综合变形的分析。通过设置三个等级支承刚度研究发现，振动的各阶固有频率随着支承刚度的增加而相应的有所增加，由此可以得出，主轴系统支承刚度的增加，对其抗振力的提高具有积极作用。

2.3 支承跨距和位置对振动特性的影响分析 
　　支持跨距作为一个重要影响因素，在本次研究中，结合车床本身具有的结构特征对其影响作用加以分析。工况设置中仍然为两支承状态，保持前支承位置不变，只是将后支承的位置向前移动，保持两支承的间距在370mm。通过对其有限元模型的建立和分析得出改变跨距状态下模态分析结果，　　
　  当支承位置和跨距发生改变时，其主轴的振型也随之发生了变化，发生位移的位置也有所改变。在固有频率的上有所减小。 
     3、结语 
　　综上分析，支承位置的改变，支承跨距的变化影响主轴系统的抗振性能，跨距的加大会是抗振能力随之加大。主轴的支承刚度对于扭转和弯曲模态以外的其它模态影响较大。在日后的工作实践中，对主轴系统的振动特性仍然需要更加深入的探索和研究，探索提高的主轴抗振性能的更好的方法和途径。