impactTest机床主轴动刚度测试

LMS impactTesting在机床主轴上的应用

发表时间：2011/11/25 万力游来源：LMS2011论文集

关键字：动刚性impact Testing边界模态抗振性

动刚性是指主轴抵抗外界动态力的能力，单位N/mm。机床主轴动刚性分析是检验机床主轴动态性能好坏的一项重要指标，是机床的抗振和抗外力干扰能力的体现，特别是在高速精加工机床主轴上，这项指标尤为重要。LMS为此提供了强大的分析功能。

数控铣床主轴是铣床的核心部件，它直接承载着刀盘的切削力，传递电机的扭矩。因此，其上的轴承预紧、安装配合状态以及支持方式都直接影响着主轴的刚性和机床的加工能力。我们通过动刚性测试和分析可以获取“主轴-轴承系统”的低阶固有频率以及各阶固有频率下对应的动刚度数值。通过“移频降幅”的措施，提高主轴的抗振性，改善产品的加工质量，避免切削振纹的产生。

1 试验准备

本次试验采用LMS公司的Impact Testing测试分析软件，结构模态用ICP三向加速度计（PCB），模态力锤（软橡胶头），抗干扰屏蔽电缆线。

2 试验方法

用橡胶垫和弹性绳来模拟主轴的自由边界条件，橡胶垫和弹性绳的自然频率应为“主轴-轴承系统”固有频率的1/5。由于在铣削加工过程中，主轴前端是承受断续切削冲击的主要部位，也是我检测主轴动态性能关键部位。将加速计用磁铁或蜂蜡粘于主轴前端，用模态力锤在加速计附近敲击主轴前端，为保证测试的准确性，每次锤击的方向和力度要基本一致，数据取10次平均，测试带宽取800HZ，分辨率1HZ。结合Impact Testing测试软件所得的频响函数，相干性（coherence），动刚度(dynamic Stiffness)曲线分析“主轴-轴承系统”的动刚性。

3 试验内容

(1)让主轴部件放在垫有橡胶垫的地面上，其他个方向处于自由状态。如图1所示。

图1 测试示意图LMS impact Testing动刚性测试结果如图2、图3所示。

图2 垂直径向动刚度测试

图3 轴向动刚度测试

由图2，图3所示的动刚性曲线和相干性曲线可知，图中所示波谷为整个测试系统（包含了主轴和橡胶结合部的自然频率）的固有频率处，其对应的相干系数coherence皆在0.98以上（说明测试的输入与输出关联性很好），保证了测试结果可靠性和准确性。

(2)主轴部件用起吊绳吊起，与地面脱离，其他个方向处于自由状态。如图4所示。

图4 测试示意图（径向）

LMS impact Testing动刚性测试结果如图5、图6所示。

图5 垂直径向动刚度

图6 轴向动刚度

由图5，图6所示的动刚性曲线和相干性曲线可知，图中指针所示的波谷位置为整个测试系统（包含了主轴和橡胶结合部的自然频率）的固有频率（共振点）处，其对应的相干系数coherence皆在0.98以上，保证了测试结果可靠性和准确性。

4 动刚性分析

由图2、图3、图5、图6可知，测试相干性好，相干曲线和动刚度曲线清晰，波峰，波谷明显，测试未出现明显的非线性，试验可信度高。通过比较不同条件测试结果可知，垂直径向动刚度曲线在0-180HZ内发生很大的变化，而在190-800HZ带宽内其曲线基本吻合；轴向向动刚度曲线在0-90HZ内发生很大的变化，而在90-800HZ带宽内其曲线基本吻合，如图7、8所示，测试结果如表1所示。由此我们可以判断不吻合固有频率和动刚度值所体现的并不是“主轴-轴承系统”固有状态，而是试验边界状态自然频率的体现，“主轴-轴承系统”固有频率和动刚度大小见表2。

比较表1动刚度对比数据可知：

（1）边界约束条件对测试结果会产生较大的影响，试验中应充分考虑边界模态对测试件本身模态的影响，将其从测试件模态中剔除，提高测试结果的真实性。

（2）在0-800HZ内，径向模态数明显高于轴向模态数，这是主轴采用前后支撑，轴的长度比轴的直径大的多，因此，模态相对较密，振型较多，在结构上较轴向柔软。

（3）两个方向上边界约束模态的频率达到了145HZ，说明试验的边界支撑不够柔软，不能真正地模拟自由状态。可选用更柔软的橡胶垫和弹性绳，降低其固有频率对测试的影响。

由表2 主轴-轴承系统的动刚度测试数据可知：

（1）“主轴-轴承系统”固有频率都在85HZ以上，不在铣床的正常工作范围之内（铣床的切削受迫振动的频率约为50HZ左右），但在做铣床破坏性加工时应参考本次测试所得结果，工作频率不要超过第一阶固有频率的70%，避免因共振对机床结构造成破坏。

（2）“主轴-轴承系统”动刚度值都在450N/μm以上，动刚度较大，抵抗在交变切削力下变形的能力较强，也间接反映了轴承的游隙和预紧力达到较为理想的状态。

图7 两种试验径向刚度比较

图8 两种试验轴向刚度比较

红色：橡胶垫支撑；绿色：弹性绳吊起

表1 动刚度对比

表2 主轴-轴承系统的动刚度测试结果

5 结语

动刚度测试是一种方便快捷了解试件固有特性的方法。为机床的切削振动，颤振和产品切削振纹提供了相应的解决方案。为产品动态性能的改善和结构的优化设计提供依据。鉴于动刚度和轴承预紧力的关系，我们还可以通过动刚度测试判断轴承预紧力的大小。