文献 51 发现由于磨损量与磨损面积及磨损强度有关 因此很难直接建立磨损量与振幅关系 然而文献 51 通过试验发现单位磨损率和振幅存在定量的关系 其中单位磨损率为单位面积及单位磨损强度产生的磨损量。在一定范围振幅值 振幅与单位磨损率存在线性关系 且在不同振幅值其线性关系的斜率也不一样 振幅与单位磨损率的关系曲线如图4 1所示。振幅与单位磨损率呈线性关系对研究振幅与磨损量之间关系研究起到重要作用 由于主轴总磨损量等于单位磨损率与磨损面积及接触面受压力的乘积 进而可以推算出主轴的磨损量与振幅之间的定量关系式。 电子科技大学硕士论文 38 振幅与单位磨损率的关系曲线根据图4 1和文献 52 可得到主轴振幅与单位磨损量的定量关系 且关系函数如式 所示。11116 5101 67510u 中u为单位磨损率单位32 mmNm 为滑移振幅 单位m 磨损与时间的经验关系高速五轴加工中心万能铣头在加工过程中 主轴的磨损量会随着加工时间的增长而增大。从目前研究现状来看 磨损量与时间定性关系的研究已相对较成熟 主轴磨损过程存在多个阶段 通常需要3段曲线进行描述。磨损量与时间的经验关系曲线如图4 2所示。 磨损量与时间的经验关系曲线第四章 主轴的磨损失效分析 39 由磨损曲线可以看出 关系函数由3段曲线组成 分别为第一阶段的磨合期、第二阶段的正常磨损期以及第三阶段的剧烈磨损期 时间轴上的I、II、III分别对应三个阶段。磨合期主要指主轴在初期运转中发生的磨损 此阶段磨损率呈现出由大变小 正常磨损期主要指在磨合期过后 主轴磨损率趋于平稳不变 磨损量稳定增加 剧烈磨损期主要指当主轴磨损量达到某个值后 摩擦表面已发生程度较大的改变 此时磨损率会逐渐增大 以致出现最终的主轴失效。由于3个阶段的曲线是连续的 通常很难得到相邻阶段的交接点。此外主轴正常工作一般在第二阶段 对于第二阶段磨损量分析尤为重要 并且第二阶段的磨损率大致呈现定值 因此可以将第二阶段的磨损量与时间关系视为线性函数 函数表达式如式 所示。0UUt 中U为磨损函数t为时间 为磨损速度 0U为磨损初量。 通过磨损估算MTBF由于上文分析已确立主轴磨损量与振幅的函数关系 此时如果得到主轴振幅与时间的函数关系 即可推算出主轴磨损量与时间的函数表达式。本文主要通过试验获取主轴振幅与时间的函数关系 试验方法为 在主轴上安装加速度传感器 设定恒定的采样频率f 对主轴实现定期采样 进而获取主轴加速度与时间的函数关系 最终通过加速度与位移的关系编程实现采样数据的转换 从而得到主轴的振幅数据iA。其中在对主轴试验采样前必须让铣头进行预加工 保证采样时间在主轴正常磨损期内。 主轴磨损量与振幅函数为线性关系 且主轴在正常磨损期内磨损量与时间也是呈线性关系 53 由此可以反推出主轴的振幅与时间在正常磨损期内也是存在线性关系的 因此主轴振幅与时间的函数关系可以写成watb 其中w为主轴的振幅值 a、b为常数。 主轴的磨损量随时间的增涨而增大 并且当磨损量增大到某个值时 万能铣头的加工精度会受到影响 对于无法保证加工精度的主轴可认定为失效。文献 52 通过试验得出的结论有 当主轴的磨损量U超过003S 即003US S为总磨损面积 主轴的振幅出现明显增大振幅值的增大严重的影响万能铣头的加工精度 此时主轴可以认定为失效。因此通过003US 这个零界点 可以估算得到主轴的MTBF平均无故障时间。 电子科技大学硕士论文 40 主轴试验与寿命验证根据经验可知 主轴的磨损主要存在于主轴与轴承的接触面。因此通过试验测量与轴承接触主轴外表面的磨损量以及磨损失效理论分析即可求解得到主轴的MTBF。 旋转切削主轴振动有限元仿真主轴振动是指主轴轴体绕着轴心两侧做往返运动。由于主轴体质量或多或少存在分布不均 所以当主轴在高速运转时 偏心质量将对主轴产生机械振动 且由于主轴的转速和偏心质量变化将引起主轴不同程度的变形。主轴在振动变形后 变形后的轴心与变形前轴心的位移称为扰度 也可称为振幅 因此当主轴的变形量越大 其扰度值、振幅值也越大。从定义可以看出主轴的最大扰度等同于现实中主轴高速运行的产生的最大振幅。因此可以通过有限元仿真软件求解主轴的变形情况 进而获取主轴的振幅大小。 通过加载2000minr的转速载荷 仿真主轴的变形情况 主轴仿真转速加载情况如图4 3所示。 主轴仿真转速加载对主轴分别加载切削力、轴承约束、主轴后端面约束以及转速 通过有限元仿真软件求解得出主轴的变形情况 主轴节点位置如图4 4所示。 主轴节点的位置第四章 主轴的磨损失效分析 41 与轴承接触的主轴外表面的节点扰度范围结果如图4 5所示。 5可看出变形量最大是出现在节点17在Y方向变形。节点17在Y方向变形曲线如图46所示。 节点17在Y方向的扰度变化曲线根据上述仿真结果可知前后端主轴Y方向变形量要比Z方向的大很多 对于变形量大小比较应使用绝对值 即前后端的径向变形量远大于轴向变形量。此外主轴前端径向变形量比后端大五倍有多 然而前端磨损面积大约比后端大两倍 磨损面积在下文有介绍 。因此主轴后端磨损量超过允许范围前 一般情况下主轴前段磨损量早已超出 所以主轴的失效原因更偏向于前端磨损量超出。从而主轴的振幅试验可以只针对前端主轴的径向振幅进行测量。