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摘要：銑床是機械加工制造過程中十分常用的一項基本設(shè)備，加工工件時銑床會發(fā)生振動，在振動的作用之下，不管是工件還是刀具其位置、相對速度均會有一些變化發(fā)生，勢必會對加工精度造成影響。若實際操作中可以將銑床固有頻率避開工作頻率，那么從原理上來說就可以有效規(guī)避共振情況的出現(xiàn)，因此當(dāng)前針對針對銑床結(jié)構(gòu)動態(tài)特性分析的分析非常必要。鑒于此，文章主要從多角度進行數(shù)控銑床振動模態(tài)分析，供大家參考。

關(guān)鍵詞：數(shù)控銑床；振動；模態(tài)分析

當(dāng)前數(shù)控機床正朝著高精度方向發(fā)展，這種新形勢下研發(fā)出的銑床其動態(tài)特性非常好，充分滿足了社會發(fā)展需求。然而建立接頭力學(xué)模型，往往需要事先了解機床整體結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性及其中的薄弱環(huán)節(jié)，這樣才能確保數(shù)控機床整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，對于加工精度的提升具有非常重要的現(xiàn)實性意義。振動模態(tài)分析實際上就是確定銑床振動特性，固有頻率與主振型承受動荷載的重要參數(shù)，通過模態(tài)分析可以對振型是否會對加工精度帶來影響進行科學(xué)判斷，進而實現(xiàn)銑床部件的優(yōu)化設(shè)計。

1 模態(tài)測試與分析系統(tǒng)概述

所謂模態(tài)分析，是指利用多點激振單點拾振錘擊法，在振動與動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)CRAS中進行激勵信號與響應(yīng)信號的采集及分析處理。錘擊激振作為瞬態(tài)激振的一種形式，其應(yīng)用的設(shè)備非常簡單，在實際使用中也十分簡單靈活，現(xiàn)場與在線測試都非常簡單，整個實驗的整體周期較短。按照測試的實際情況與銑床結(jié)構(gòu)特點來看，可以利用力錘進行激振，這種激振方式與使用其他激振裝置相比靈活性更高，足以激勵起小型數(shù)控銑床，因此在小型結(jié)構(gòu)模態(tài)分析中比較適用。在模態(tài)分析中計算機系統(tǒng)主要起到分析、控制數(shù)據(jù)存儲的作用，利用CRAS作為模態(tài)分析軟件，其中主要涉及到的模塊有很多，例如數(shù)據(jù)采集與處理模塊、機械與結(jié)構(gòu)模態(tài)分析模塊等，應(yīng)用該系統(tǒng)利用計算機可以發(fā)出的控制信號可以有效采集各種數(shù)據(jù)，對其采集數(shù)據(jù)過程進行控制，同時將信號以數(shù)據(jù)文件方式硬盤上記錄，待信號采集工作完成之后，由該系統(tǒng)完成函數(shù)傳遞分析及模態(tài)參數(shù)辨識等相關(guān)工作。

2 分析建立有限元模型的過程

主軸箱、立柱與導(dǎo)軌共同組成了銑床的整體結(jié)構(gòu)，有限元模型建立可以充分反映出整體結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性，與此同時，還能利用其在局部區(qū)域中適當(dāng)簡化，基于其中的重要構(gòu)件建模，例如結(jié)構(gòu)主軸、立柱等，在此基礎(chǔ)上利用ANSYS建立銑床三維實體模型。有限元模型建立步驟：首先，由于銑床中都是簡單的平面，并不存在復(fù)雜的曲面，因此建立模型的過程中通常以十節(jié)點四面體等為參數(shù)單元，以便于滿足計算精確度要求；其次，銑床的鑄造材料選擇16Mn鋼，這類鋼材彈性模量E=206GPa；第三，劃分網(wǎng)格，這里建模利用ANSYS人工控制網(wǎng)絡(luò)劃分方式來劃分網(wǎng)格，將網(wǎng)格單元邊場地設(shè)定為0.005m，這樣既可滿足在計算精度方面提出的要求；第四，嚴(yán)格按照銑床工作的實際情況固定銑床底部的自由度。

3 模態(tài)分析

銑床模態(tài)的求解過程中會用到ANSYS中提供的Block Lanczos法，由于利用Block Lanczos法求解得到的值其精度通常比較高，同時計算速度也比較快，在大型結(jié)構(gòu)求解問題中比較適用。從構(gòu)件立柱模態(tài)分析的角度來看，在銑削交工時其振源頻率處于低頻范圍，所以振動影響比較大，換句話說低階時帶來的影響就是很大的，按照該理論來看低階振型將直接決定著立柱的動態(tài)特性。本次研究中求解主要進行了10階模態(tài)的擴展，下面從這10階模態(tài)中提取5階對其振動特性展開分析。

從前5階固有振動頻率情況可以找到銑床立柱變形有哪些特點。前5階固有頻率振型：

1.階振型以主軸箱和立柱為振動主體，他們相對扭轉(zhuǎn)運動的過程中，不會發(fā)生變形的部分是銑床的底座，而發(fā)生位移量最大的地方是立柱頂端，其位移量是0.0296m；

2.階振型以主軸箱和立柱為振動主體，他們會沿著底座短邊的方向發(fā)生相對擺動運行，這種情況下銑床的底座不會有變形情況發(fā)生，其中立柱頂端是發(fā)生最大相對位移的地方，其位移量是0.0259m；

3.階振型以主軸箱和立柱為振動主體，他們按照順時針發(fā)生相對扭轉(zhuǎn)運動，而扭轉(zhuǎn)運動的過程中不會發(fā)生變形的是銑床的底座部分，而立柱頂端是發(fā)生最大相對位移的地方，其位移量是0.0322m；

4.階振型以主軸箱和立柱為振動主體，這些振動主體會沿著底座部位最短邊做彎曲運動，運動過程中習(xí)作底座不會有變形發(fā)生，立柱頂端是發(fā)生最大相對位移的地方，其位移量為0.0318m；

5.階振型中立柱均為振動主體，兩個振動主體分別沿著底座短邊方向，向內(nèi)凹做彎曲運動，彎曲運動過程中不會有變形發(fā)生的是銑床底座，其中立柱中間部位會發(fā)生最大相對位移，其位移量是0.0382m。

4 結(jié)語

總而言之，通過這篇文章中對有限元模態(tài)分析的論述我們可以了解到前5階固有頻率及振型，從分析中可以看出，前5階振型中的主軸箱和立柱均為振動主體，并且發(fā)生扭轉(zhuǎn)運動的有第1階、第3階，而第2階則發(fā)生了搖擺運動，發(fā)生彎曲運動的有第4階、第5階。在加工工件、銑床設(shè)計中，本文模態(tài)分析結(jié)果主要起到了非常重要的指導(dǎo)性意義，從上述分析中可見，新產(chǎn)品開發(fā)過程中利用ANSYS有限元分析軟件，很多工程技術(shù)上的問題均可以得到有效解決，這是當(dāng)前工程設(shè)計中非常重要的一個環(huán)節(jié)。通過本文的銑床模態(tài)分析可以深入了解銑床受力構(gòu)件立柱振動特點，進而為后續(xù)的產(chǎn)品改進、設(shè)計提供有效依據(jù)。

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