全自动铲稍机砂轮主轴动态特性测试与分析机械制造专业

摘要 MK9524全自动铲稍机是加工丝锥的专用机床，其动态性能对丝锥加工精度有着密不可分的影响。作为全自动铲稍机的核心部件之一，砂轮主轴系统的振动同样是机床振动的主要源头之一，在磨削过程中如果主轴出现较大幅度的振动，将使得砂轮产生剧烈磨损甚至破裂，严重降低磨削加工精度和工件表面质量，缩短磨床使用寿命，故砂轮主轴系统必须具有良好的抗振性能，能够满足刚度、强度和加工精度的要求，因此有必要对铲稍机主轴系统进行动态特性测试与分析。 本文以铲稍机砂轮主轴为研究目标，从提高主轴系统性能入手，利用有限元仿真分析、建立主轴数学模型和主轴试验测试三者结合，对砂轮主轴系统的动态特性进行了研究。论文主要研究工作如下： （1）依据铲稍机砂轮主轴的实际工作情况和结构参数，利用solidworks建立砂轮主轴的三维模型。使用ANSYS Workbench软件，对砂轮主轴进行静态特性分析，通过对主轴尾端径向变形的计算来确定砂轮主轴的静刚度。 （2）将砂轮主轴三维实体模型导入分析软件中完成砂轮主轴模型的模态分析，并得到各阶主振型和固有频率，并根据分析结果求出各阶频率相应的主轴临界转速；对其进行谐响应分析，将砂轮主轴所受力最大的法向切削力作为砂轮主轴的激振力，设定好求解频率，对其求解，得出砂轮主轴前、中和尾部的位移频响图。 （3）建立铲稍机砂轮主轴的弹性动力学模型，按照机械振动原理对砂轮主轴模型进行简化，简化为简支梁模型。 （4）构建砂轮主轴试验模态测试系统，对砂轮和主轴系统固有频率进行测试，将测试结果与有限元分析结果进行对比，验证有限元模拟的准确性，为砂轮主轴系统的结构参数优化设计提供了数据和优化方向。 关键词：砂轮主轴；动态特性；有限元；模态分析；谐响应分析 Abstract：MK9524 automatic scraper is a special machine tool for processing taps. Its dynamic performance has an inseparable impact on the processing accuracy of taps. As one of the core parts of the automatic shovel machine, the vibration of the grinding wheel spindle system is also one of the main sources of machine vibration. If the spindle vibrates greatly in the grinding process, it will cause severe wear and even rupture of the grinding wheel, seriously reduce the grinding accuracy and surface quality of the workpiece, and shorten the grinding machine. It is necessary to test and analyze the dynamic characteristics of the grinding wheel spindle system because it has good vibration resistance and can meet the requirements of stiffness, strength and machining accuracy. In this paper, the dynamic characteristics of grinding wheel spindle system are studied with the aim of improving the performance of grinding wheel spindle system, combining the finite element simulation analysis, the establishment of spindle mathematical model and spindle test. The main research work is as follows: (1) According to the actual working conditions and structural parameters of the grinding wheel spindle of the shovel, the three-dimensional model of the grinding wheel spindle is established by using solidworks. The static characteristics of grinding wheel spindle are analyzed by ANSYS Workbench software, and the static stiffness of grinding wheel spindle is calculated by radial deformation of spindle tail end. (2) The three-dimensional solid model of the grinding wheel spindle is imported into ANSYS Workbench software, and the modal analysis is carried out to obtain the natural frequencies and corresponding vibration modes of the spindle, and the critical speed of the grinding wheel spindle corresponding to each order of frequency is obtained; the harmonic response analysis is carried out to take the maximum discovered cutting force of the grinding wheel spindle as the grinding wheel. The exciting force of the spindle is solved by setting the solution frequency, and the displacement frequency response diagram of the front, middle and tail of the grinding wheel spindle is obtained. (3)The elastic dynamic model of the grinding wheel spindle of a scraper is established. According to the principle of mechanical vibration, the grinding wheel spindle model is simplified to a simply supported beam model. (4) The natural frequencies of the grinding wheel and the spindle system are tested by the experimental modal testing system. The results are compared with the finite element analysis results to verify the accuracy of the finite element simulation.It provides data and optimization direction for structural parameters optimization design of grinding wheel spindle system. Key words：Grinding wheel spindle; Dynamic characteristics; Finite element analysis; Modal analysis; Harmonic response analysis 目录 引言 1.1 课题的背景、意义 自进入21世纪以来，世界上各个国家之间呈现出愈发密切的交流合作态势，同时相互之间的竞争也日益激烈。其中，制造业可以很直接的体现出一个国家综合实力，在世界范围内受到极大重视，各国均投入大量资源发展制造业。目前，世界上所有的发达国家制造业技术均达到了一个很高的水平。制造业之中的装备制造业更是得到了飞速发展，装备制造业的重要性不仅仅体现在能够为国家制造提供装备设备，其水平高低更是衡量一个国家制造业水平高低的重要指标。随着我国社会经济的迅猛发展，机械制造业近年来发展迅速，并在国民经济中占的比例越来越大。随着汽车制造业、航空航天业及船舶制造业等各行业的发展，对于各类零件的需求量不断增大，并对零件的加工精度和加工效率提出了更高的要求。 作为制造生产中的重要工具，机床产品和设备的更新优化正朝着高速，高效，精密，轻量化和自动化等方向发展。但是，伴随着技术发展的同时，随之而来的振动和噪声的问题也越来越突出。同时，机床作为一个高精密的机械加工装备，其加工性能与其动态和静态特性有关，从机床综合动态性能层面而言，机床结构、主轴以及伺服系统和切削工艺等均会影响其工作性能，进而影响工件的加工质量和机床的切削效率和耗能。对机床的振动和噪声进行控制可有效提升机床的加工精度，并保证机床使用寿命与可靠性。为了使机床在使用过程中可安全稳定运行，需要保证机床各主要结构均具有良好的动态和静态工作特性[1-2]。机床主轴作为机床进给系统的主要动力来源是机床的核心部件，主轴的主要功能是为系统提供动力，并参与工件加工。因此在加工时是否安装工件都会对工件的加工精度和生产效率等造成影响。根据统计信息，机床加工过程中各部件在刀具和工件综合位移之中，其中主轴所占比例最大，即当主轴和机床未处于共振状态下时主轴占比约为30～40%，在共振状态下则为60～80%[3]。根据这一信息信息如何提升主轴动态和静态性能是提升机床制造水平和工件精度的重要基础，也逐渐成为制造业个专家学者研究的热点问题。 本课题旨在提高机床主轴速度与精度，深入分析研究其动态性能，提供理论依据以供高速主轴系统进行动力学分析和结构优化，对于指导机床装配通过综合动态的测试与仿真，正确评估高档数控机床的加工性能，对于指导数控机床实现优化设计、装配与改进具有重要意义 1.2课题的来源 本课题来源于国家科技重大专项：高等数控机床（项目编号45075458X）。以MK9524型全自动铲稍机主轴系统为研究对象，对主轴系统的动态特性进行研究，为提高全自动铲稍机主轴系统的动态性能提供切实可行的理论基础和技术手段。 1.3国内外研究情况 主轴系统的静动态特性对于机床的加工效率和零件的加工质量有极大的影响，主要包括主轴静刚度分析、振型分析、临界转速分析和谐响应分析等。对于主轴动态和静态特性研究已有的研究成果较多，国内外很多专家学者对此进行详细试验论证后提出了许多较为成熟的研究方法。在计算机