轴承刚度对主轴卡盘工件系统动态特性的影响

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1、万方数据第34卷第4期2013年8月河南科技大学学报：自然科学版JournalofHenanUniversityofScienceandTechnology：NaturalScienceV01．34No．4Aug．2013文章编号：1672—6871(2013)04—0021—05轴承刚度对主轴-卡盘一工件系统动态特性的影响梁国利1，段明德1，赵海莲2，胡伟奇1，魏福贵3(1．河南科技大学机电工程学院，河南洛阳471003；2．洛阳北方企业集团有限公司，河南洛阳471031；3．安阳鑫盛机床股份

2、有限公司，河南安阳455000)摘要：考虑在实际工况F，主轴系统安装上卡盘和工件后动态特性会发生变化，基于有限兀法完成r主轴一卡盘一工件系统模型的建立，进行轴承刚度对主轴一卡盘一工件系统动态特性的影响研究。研究结果表明：轴承刚度对两系统动态性能的影响规律不同，前、后轴承径向刚度对主轴一卡盘一工件系统动态特性的影响较大，但两者刚度影响区间不同；前、后轴承轴向刚度对主轴-卡盘·工件系统动态特性影响较小，尤其对提高系统临界转速作用不大。关键词：轴承刚度；主轴系统；主轴一卡盘一工件系统；动态特性中图分类

3、号：THl33文献标志码：A0引言高速精密机床主轴系统的动力学特性直接影响着机床的加工精度、表面粗糙度和工作效率。而轴承刚度是影响机床主轴系统动态特性的关键因素之一。文献[1]概括了影响主轴系统动力学特性的因素，其中，由预紧力的不同引起轴承刚度的改变是重要因素之一；文献[2]利用有限元法研究了轴承刚度对主轴系统固有特性的影响规律；文献[3]基于传递矩阵法研究了轴承刚度对主轴系统动态特性的影响。以上文献主要是在主轴一轴承系统的基础上进行了轴承刚度影响规律的研究，并取得了一定成果。但是当高速精密车床

4、设计制造完毕，实际加工过程中安装了卡盘和工件后，其整体动态特性会发生变化。所以，研究轴承支承刚度对贴近实际工况的主轴-卡盘-工件系统的影响更具有实际意义。本文以ADGMl5高速精密车床为研究对象，进行了主轴．卡盘一工件系统的动力学分析，完成了主轴单元中前、后轴承支承刚度对其系统动态特性的影响规律研究，为主轴系统的设计及优化提供了理论指导。1主轴．卡盘．工件系统的有限元模型1．1轴承刚度计算主轴单元前端为三列角接触球轴承，后端为两列角接触球轴承。通常在主轴单元的有限元建模过程中，将轴承简化为拥有轴

5、向和径向刚度的弹簧单元，弹簧单元分布如图1和图2所示，电主轴前后轴承参数见表1。才M图1径向弹簧单元分布簧图2轴向弹簧单元分布基金项目：国家科技重大专项基金项目(2012ZX04005—021，2011ZX04002—132)作者简介：梁国利(1987一)，男，河南新乡人，硕士生；段明德(1966一)，男，河南洛阳人，教授，博士，硕士生导师，研究方向为CAD／CAE／CAM．收稿日期：2012—08—09万方数据·22·河南科技大学学报：自然科学版表1电主轴前后轴承参数利用角接触球轴承刚度的计算

6、公式计算出轴承的径向和轴向刚度H3。径向刚度：2k，=1．77236×107×(z2D6)了1掣(F。。)丁I；(1)sinT仅轴向刚度：k。=2．36X107X(Z2sin5aD6)丁(F。o)了，(2)式中，z为轴承滚动体个数；D。为轴承滚动体直径；Ot为轴承接触角；F。。为轴承预紧力。前端的三列角接触球轴承为DBD(背对背加右串联)组合，可将轴承的支承点简化在第2个轴承接触线与主轴轴线相交处’5。；后端的两列角接触球轴承为DB(背对背)组合，支承点简化在两轴承中心，且由文献[6]得知：DB

7、D组合对DB组合的轴向刚度因数为1．48、径向刚度因数为1．54，由此，当DB组合的刚度乘以计算因数即可得到DBD组合刚度。根据表1中轴承参数计算可得：前组合的径向刚度k，。为1．47X109N／m，轴向刚度k。。为4．08X108N／m，后组合的径向刚度k以为5．62X108N／m，轴向刚度k。2为1．63X108N／m。1．2结合部参数在机械结构中，类似于螺栓、导轨等结合部的存在对结构整体特性有很大影响。主轴一卡盘一工件系统中存在着主轴和卡盘、卡盘和工件、工件和顶尖等主要结合部。在建立有限元

8、模型的过程中，假设卡盘与工件之间无相对运动，模型中以固定的方式连接，而工件与顶尖以铰接的方式处理"1，主轴与卡盘是通过螺钉连接，其结合面存在接触刚度与接触阻尼，而接触阻尼不考虑，可以利用弹簧单元来模拟主轴与卡盘结合部。为了更全面的反映主轴与卡盘之间结合面的接触刚度，法向、切向两个方向的刚度参数全部反映到模型中，如图3所示。在法线方向上，采用与螺钉个数相同的弹簧单元进行建模，而在切线方向上，为了方便添加弹簧单元，主轴与卡盘前端的锥面配合处留有适当的间隙，但对分析结果没有影响’8。。由于结合面的动态