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1、振动与冲击第26卷第6期JOURNALOFVIBRATIONANDSHOCKVo.l26No.62007机床主轴系统动力学特性研究进展高尚晗,孟光(上海交通大学振动、冲击、噪声国家重点实验室,上海200240)摘要介绍机床主轴系统动力学特性的研究进展。主轴系统的建模、动态特性的研究方法、轴承参数及加工条件等多种因素对机床主轴动力学特性的影响方面作了系统阐述,简要介绍主轴系统的优化设计方法以及结构改进。对国内和国外的研究进展进行了比较,总结机床主轴系统动态特性研究方面的不足,为今后的研究提供参考。关键词:主轴,动态特性,建模中图分类号:TG659;TH133文献标识码:A现代数控机床日益朝着高速
2、、高性能方向发展,高等问题,都必须考虑到主轴系统模型中。因此,现代对速加工可以降低切削力、改善表面粗糙度,成为提高生机床主轴动力特性的研究不光要考虑到主轴的机械特产效率、提高加工质量的有效措施。主轴是机床一个性、高转速下的热特性、热-弹耦合效应,此外还需要非常重要的构件,它直接参与机床加工,其动态特性对考虑到与主轴接触的其他的元件,如轴承、轴套、冷却[1]切削稳定性和加工精度有很大的影响。因此,对主系统、刀具等的影响。轴系统的动力学特性进行分析与评价就显得非常有必1机床主轴系统的建模与实验要,同时分析与评价结果也帮助人们更深刻了解整体机床系统的动力特性。111建模传统的机床主轴动态特性研究,只
3、是实验测量或滚动轴承结构简单,安装维护容易,数控机床大多采用简单的理论模型计算固有频率或幅频响应,使得采用滚动轴承支撑。在机床主轴建模中,为了研究方主轴的工作转速在临界转速以下或是避开临界转速。便,可直接采用三次代数方程表示轴承的径向刚度,并目前机床加工精度要求越来越高,需要主轴具有更高基于这个刚度方程,建立非线性静态刚度主轴系统等[3]性能,同时也带来了许多新的问题。其中最引起关注效模型;也可利用Hertzian接触理论建立轴承接触力[4]的是高速电主轴系统(图1所示)在切削加工过程中温与变形之间的关系来计算轴承刚度和阻尼,其中还[5][6]可考虑油膜挤压效应的作用。Cao的主轴系统模型中包
4、含了离心力、陀螺效应,以及轴承接触角、预载、[7]主轴转子和轴套偏移等的影响;Altintas考虑了加工过程的影响,可反映出实际加工中主轴动态特性的变[8,9]化规律;Kim考虑了轴承装配公差、几何尺寸、冷却情况、工作状态、压力,以及轴套热变形的作用。[10-12]所有的模型中,由Li建立的机械-热特性主轴-轴承系统动力学模型最为全面和完整,该模型包含一个综合的轴承动态模型、一个主轴动态模型和一个热模型,热模型通过轴承配置中的热膨胀和在整个1.轴承2.主轴3.主轴电机4.轴承系统中的热传递与主轴动态模型耦合起来,能很好地[2]图1高速电主轴系统计算轴承的热膨胀及其引起的动态特性,其他参数对升过
5、高,并由此产生的热变形及热耦合问题。因此,有固有频率的影响也能够较为准确地估计,并能精确处必要对传统的机床主轴研究方法进行改进,以适应新理复杂几何形状及复杂物理特性的高速电主轴。但由的需要。此外,还需对主轴动态特性的影响因素有着于电主轴热位移与主轴冷却系统、电机空气间隙、运动深入的了解,传统研究中没有注意到的地方,如结合面副连接、装配结合面都有关系,基于位移的热误差模型的阻尼和刚度、轴承滚子与滚道间的非线性摩擦机理[13]比基于温度的热误差模型更精确。基金项目:国家重点基础研究发展计划/9730项目资助(2005CB724101)现有的主轴系统模型虽然包含了所有的影响因收稿日期:2006-08
6、-04修改稿收到日期:2006-10-11素,但是各因素之间还比较孤立,没有考虑到它们之间第一作者高尚晗女,博士生,1973年7月生相互作用的耦合情况。实际主轴系统的动态特性由主通讯作者孟光男,教授,博导,1961年1月生轴内部参数之间,如:热增长、热变形、热传递、轴承接104振动与冲击2007年第26卷触角变化、轴承内部间隙、轴承预载等,以及外部参数发了多种简单方便的有限元分析商用软件,因此采用[23,36,37]之间,如:冷却、安装公差、刀具受力等的连锁反应来确有限元法进行机床主轴动态特性的研究众多,[14,15]定的(如图2所示),因此必须在机床主轴运动阶与实验结果相比较,该方法计算主轴
7、的低阶固有频率[16][38-40]段进行复杂非线性摩擦机理以及热-弹闭环耦合特和固有振型误差可小于5%。有限元法还可以用[41,42]性的研究,这也将是未来对主轴-轴承系统动态特性来进行以下研究:对高速电主轴进行优化设计;基[43]进行研究的趋势。于Timoshenko梁理论构造主轴中的转子模型;研究[44-46]新式合成材料的高速主轴的动、静态特性;推导[47]主轴-工件转动结构的基本方程;与
