劉妍

摘要：傳統(tǒng)的機(jī)床產(chǎn)品設(shè)計(jì)當(dāng)中，多是采用以人工經(jīng)驗(yàn)為主的設(shè)計(jì)形式進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)以及耦合性能往往達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，這為后期的運(yùn)維和檢修也帶來了一定的難度，機(jī)床在實(shí)際的運(yùn)行過程中工作效率較低，并且還可能存在潛在的作業(yè)危險(xiǎn)等問題。立式加工機(jī)床能夠有效的解決工作效率和安全性能等問題，對(duì)此本文重點(diǎn)探究了立式加工中心動(dòng)態(tài)性能對(duì)切削性能的影響，對(duì)工作臺(tái)和主軸箱在不同切削工藝參數(shù)情況下的功率譜進(jìn)行了有限元模擬分析。結(jié)果表明，新式的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有效的替代了人工操作的過程，同時(shí)也增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，可靠性較高。

關(guān)鍵詞：有限元;機(jī)床設(shè)計(jì);結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：TH122? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）12-0082-02

0? 引言

工藝制造業(yè)是衡量一個(gè)國家工業(yè)技術(shù)水平的核心，同時(shí)裝備制造水平也是一個(gè)國家綜合國力的體現(xiàn)。作為制造業(yè)當(dāng)中的制造母機(jī)，高速立式加工中心在裝備制造當(dāng)中具有著不可小覷的作用，其性能的好壞直接決定著加工零件的工藝水平，因此對(duì)其性能的研究顯得尤為重要。然而機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能是影響加工樣件的尺寸精度及表面質(zhì)量的關(guān)鍵因素[1]。因此建立系統(tǒng)而有效的動(dòng)態(tài)性能測(cè)試與分析方法，并將其應(yīng)用在機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化過程但當(dāng)中，具有重要意義。同時(shí)依靠仿真分析結(jié)合實(shí)際測(cè)試的方法進(jìn)行機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，也可以大大縮減設(shè)計(jì)周期，并行之有效的達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的，模擬+實(shí)測(cè)的設(shè)計(jì)形式有效的提升產(chǎn)品主要關(guān)鍵部件的動(dòng)態(tài)性能[2]，提升整機(jī)的動(dòng)態(tài)性能，對(duì)于提升機(jī)床切削性能意義重大，有效的提升了產(chǎn)品在市場(chǎng)中的競爭力。

1? 加工中心工作臺(tái)和主軸箱動(dòng)態(tài)性能對(duì)切削性能的影響分析

為了研究立式加工中心動(dòng)態(tài)性能對(duì)切削性能的影響，首先對(duì)工作臺(tái)和主軸箱在不同切削工藝參數(shù)情況下的功率譜進(jìn)行了模擬分析，通過觀察比對(duì)加工中心切削過程中的功率譜圖，可得知在工作臺(tái)和主軸箱轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量變化時(shí)不同頻段上能量的變化，從而確認(rèn)加工中心工作狀態(tài)對(duì)加工過程的影響。為優(yōu)化切削工藝參數(shù)，避免顫振現(xiàn)象提供依據(jù)，本研究對(duì)于其動(dòng)態(tài)特性的研究，主要做了兩方面的工作，如圖1所示。

一方面通過隨機(jī)環(huán)境激勵(lì)和運(yùn)行模態(tài)法，獲得加工中心工作臺(tái)的動(dòng)態(tài)性能參數(shù);另一方面通過不同工藝參數(shù)下的切削試驗(yàn)，得到加工中心工作臺(tái)的功率譜圖。并將該功率譜圖與模態(tài)分析結(jié)果相對(duì)比，給出加工中心的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案以及避免顫振現(xiàn)象的切削工藝參數(shù)。

2? 模擬工況的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的機(jī)床零部件設(shè)計(jì)當(dāng)中，零部件的種類和數(shù)量較多。本文結(jié)合著導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)進(jìn)程進(jìn)行了詳細(xì)的說明。首先先結(jié)合著卷尺對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行基本的尺寸測(cè)量。為后續(xù)的有限元建模提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。根據(jù)繪制的基本圖紙?jiān)赟olid Works軟件當(dāng)中建立三維模型。并通過尺寸標(biāo)注的形式對(duì)模型進(jìn)行約束。完成基礎(chǔ)模型的建立后使用凸臺(tái)的拉伸命令對(duì)模型進(jìn)行拉伸，最終完成機(jī)床的整機(jī)模型[3]。

2.1 機(jī)床零部件有限元模型的建立

①主軸。在SW軟件建立完成模型后，通過ANSYS軟件進(jìn)行無縫銜接，導(dǎo)入到模型當(dāng)中進(jìn)行有限元分析。同時(shí)進(jìn)行參數(shù)化的屬性設(shè)置和參數(shù)設(shè)置，對(duì)部分邊緣參數(shù)進(jìn)行輕量化的設(shè)置，最大限度的減少軟件分析時(shí)的運(yùn)算和計(jì)算量，進(jìn)而提升計(jì)算效率。其主要材料屬性參數(shù)如表1所示。

②導(dǎo)軌。導(dǎo)軌模型的簡化與主軸類似，這里就不作贅述。其主要材料屬性參數(shù)如表2所示。

2.2 機(jī)床零部件模態(tài)分析

在主軸的計(jì)算進(jìn)程中，需要重點(diǎn)進(jìn)行模態(tài)的計(jì)算，依據(jù)此前的主軸設(shè)計(jì)邊界條件作為彈性支撐，目的是進(jìn)一步的模擬號(hào)主軸在實(shí)際環(huán)境當(dāng)中與軸承之間的支撐關(guān)系。

同時(shí)導(dǎo)軌的模態(tài)分析與主軸的分析相類似，基于上述測(cè)試分析方法和測(cè)試系統(tǒng)對(duì)原有立式加工中心進(jìn)行了詳細(xì)的動(dòng)力學(xué)模式識(shí)別研究。

3? 立式加工中心整體模式識(shí)別

立式加工中心整體及相關(guān)分析模型和測(cè)量分布如圖2所示。模型坐標(biāo)系為機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系。測(cè)試中分布63個(gè)三向加速度傳感器測(cè)量其在隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境下的振動(dòng)響應(yīng)，實(shí)驗(yàn)共分三組，其中1-6測(cè)試點(diǎn)為公共測(cè)試點(diǎn)。

同時(shí)將測(cè)試采集到的時(shí)程數(shù)據(jù)進(jìn)行坐標(biāo)變換等一些列處理后載入到模式識(shí)別軟件中進(jìn)行快速傅里葉變換，得到整體在非工作狀態(tài)環(huán)境下的功率譜密度如圖3所示，這里展示的是三組測(cè)試的功率譜密度圖。

依據(jù)非工作狀態(tài)環(huán)境下的功率譜密度情況，考慮到低階固有頻率相對(duì)比較容易與外部條件耦合，因此本項(xiàng)研究所有模態(tài)識(shí)別范圍皆取至500Hz附近最為穩(wěn)定。

4? 加工中心工作臺(tái)動(dòng)態(tài)對(duì)切削性能的影響分析

機(jī)械部件的機(jī)械性能受到為解決現(xiàn)有機(jī)床產(chǎn)品動(dòng)態(tài)性能不足的問題，本文基于有限元方法及動(dòng)態(tài)性能測(cè)試與分析聯(lián)合研發(fā)的新型高速立式加工中心，利用有限元分析得到機(jī)床零件的合理結(jié)構(gòu)，通過動(dòng)態(tài)性能測(cè)試與分析進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)床整體結(jié)構(gòu)，使得機(jī)床動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性得到了提高。其立式加工中心的主軸箱部分固有頻率和阻尼比的識(shí)別結(jié)果計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3所展示的是主軸箱部分固有頻率和阻尼比的識(shí)別結(jié)果，為整體分步測(cè)試整合后振型的模態(tài)置信準(zhǔn)則值。從表3反映的是模態(tài)置信準(zhǔn)則MAC的值，其數(shù)值基本在0.02-0.14之間，此時(shí)印證了振型優(yōu)化整合質(zhì)量。并且通過多次分析計(jì)算，將逐級(jí)機(jī)床裝配體剛度對(duì)切削過程中刀尖變，進(jìn)而有針對(duì)性地降低大件質(zhì)量。對(duì)優(yōu)化前后模型進(jìn)行模態(tài)分析，驗(yàn)證了機(jī)床動(dòng)態(tài)參數(shù)指標(biāo)。結(jié)果顯示，該方法可以有效對(duì)重型機(jī)床大件進(jìn)行減重，對(duì)重型機(jī)床的輕量化設(shè)計(jì)有一定指導(dǎo)意義。根據(jù)模擬結(jié)果以及功率譜密度值可以總結(jié)出：①整體機(jī)床立柱剛度良好，在200Hz以內(nèi)，主要振動(dòng)部位為機(jī)床的底座（考慮為機(jī)床擺放位置不水平），200Hz之后，主要振動(dòng)部件為主軸箱。②機(jī)床在配重1的情況下，立柱變現(xiàn)良好，底座振動(dòng)明顯，配重振動(dòng)較大。③機(jī)床在配重2的情況下，四階138.03Hz之前，立柱上半部位振動(dòng)，主軸箱在四階138.03Hz之后振動(dòng)明顯。④機(jī)床在S10000的情況，功率譜密度圖相較與其他轉(zhuǎn)速，功率譜密度大，在低階的情況下，共振頻率多，在實(shí)際測(cè)試中，轉(zhuǎn)速在S10000時(shí)，發(fā)生振紋明顯在轉(zhuǎn)速為S25000的情況，進(jìn)給在1500以下時(shí)，在300Hz存在功率幅值較為大的共振頻率，考慮在此轉(zhuǎn)速下進(jìn)給變大。

5? 結(jié)語

隨著市場(chǎng)競爭的日趨激烈，輕量化設(shè)計(jì)理念越來越受到機(jī)床（尤其是重型機(jī)床）廠家的重視。對(duì)于重型機(jī)床而言，輕量化設(shè)計(jì)更多的情況是在設(shè)計(jì)中通過優(yōu)化大件結(jié)構(gòu)降低大件質(zhì)量而達(dá)到節(jié)省原材料節(jié)約成本的目的。然而，如何進(jìn)行優(yōu)化、能減重到什么程度、原則是什么，卻很難界定。對(duì)此通過某型號(hào)機(jī)床的裝配結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元的模擬分析和實(shí)際的測(cè)算，進(jìn)而有效的得到了各個(gè)參數(shù)設(shè)置對(duì)于機(jī)床切削剛度的影響。并依據(jù)實(shí)際的參數(shù)數(shù)據(jù)性能進(jìn)行二次測(cè)量分析和驗(yàn)證。證明了通過本次設(shè)計(jì)的方法能夠有效的達(dá)到提升剛度并且減輕重量的目的。進(jìn)而有效的提升了機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]李天箭，丁曉紅，李郝林.機(jī)床結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)研究進(jìn)展[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2020，56（21）：186-198.

[2]朱軍.基于有限元分析的高速精密數(shù)控機(jī)床床鞍機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2020，49（04）：46-50.

[3]韓鳳霞.高端數(shù)控機(jī)床服役過程可靠性評(píng)價(jià)與預(yù)測(cè)[D].機(jī)械科學(xué)研究總院，2020.