劉妍
摘要:傳統(tǒng)的機床產(chǎn)品設(shè)計當(dāng)中,多是采用以人工經(jīng)驗為主的設(shè)計形式進行經(jīng)驗設(shè)計,產(chǎn)品設(shè)計參數(shù)以及耦合性能往往達不到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),這為后期的運維和檢修也帶來了一定的難度,機床在實際的運行過程中工作效率較低,并且還可能存在潛在的作業(yè)危險等問題。立式加工機床能夠有效的解決工作效率和安全性能等問題,對此本文重點探究了立式加工中心動態(tài)性能對切削性能的影響,對工作臺和主軸箱在不同切削工藝參數(shù)情況下的功率譜進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,同時也增強了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,可靠性較高。
關(guān)鍵詞:有限元;機床設(shè)計;結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性
中圖分類號:TH122? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼:A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號:1674-957X(2021)12-0082-02
0? 引言
工藝制造業(yè)是衡量一個國家工業(yè)技術(shù)水平的核心,同時裝備制造水平也是一個國家綜合國力的體現(xiàn)。作為制造業(yè)當(dāng)中的制造母機,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,因此對其性能的研究顯得尤為重要。然而機床的動態(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)而有效的動態(tài)性能測試與分析方法,并將其應(yīng)用在機床的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化過程但當(dāng)中,具有重要意義。同時依靠仿真分析結(jié)合實際測試的方法進行機床的結(jié)構(gòu)設(shè)計時,也可以大大縮減設(shè)計周期,并行之有效的達到優(yōu)化設(shè)計的目的,模擬+實測的設(shè)計形式有效的提升產(chǎn)品主要關(guān)鍵部件的動態(tài)性能[2],提升整機的動態(tài)性能,對于提升機床切削性能意義重大,有效的提升了產(chǎn)品在市場中的競爭力。
1? 加工中心工作臺和主軸箱動態(tài)性能對切削性能的影響分析
為了研究立式加工中心動態(tài)性能對切削性能的影響,首先對工作臺和主軸箱在不同切削工藝參數(shù)情況下的功率譜進行了模擬分析,通過觀察比對加工中心切削過程中的功率譜圖,可得知在工作臺和主軸箱轉(zhuǎn)速、進給量變化時不同頻段上能量的變化,從而確認加工中心工作狀態(tài)對加工過程的影響。為優(yōu)化切削工藝參數(shù),避免顫振現(xiàn)象提供依據(jù),本研究對于其動態(tài)特性的研究,主要做了兩方面的工作,如圖1所示。
一方面通過隨機環(huán)境激勵和運行模態(tài)法,獲得加工中心工作臺的動態(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,得到加工中心工作臺的功率譜圖。并將該功率譜圖與模態(tài)分析結(jié)果相對比,給出加工中心的優(yōu)化設(shè)計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
傳統(tǒng)的機床零部件設(shè)計當(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)計進程進行了詳細的說明。首先先結(jié)合著卷尺對工作臺進行基本的尺寸測量。為后續(xù)的有限元建模提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。根據(jù)繪制的基本圖紙在Solid Works軟件當(dāng)中建立三維模型。并通過尺寸標(biāo)注的形式對模型進行約束。完成基礎(chǔ)模型的建立后使用凸臺的拉伸命令對模型進行拉伸,最終完成機床的整機模型[3]。
2.1 機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軟件進行無縫銜接,導(dǎo)入到模型當(dāng)中進行有限元分析。同時進行參數(shù)化的屬性設(shè)置和參數(shù)設(shè)置,對部分邊緣參數(shù)進行輕量化的設(shè)置,最大限度的減少軟件分析時的運算和計算量,進而提升計算效率。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 機床零部件模態(tài)分析
在主軸的計算進程中,需要重點進行模態(tài)的計算,依據(jù)此前的主軸設(shè)計邊界條件作為彈性支撐,目的是進一步的模擬號主軸在實際環(huán)境當(dāng)中與軸承之間的支撐關(guān)系。
同時導(dǎo)軌的模態(tài)分析與主軸的分析相類似,基于上述測試分析方法和測試系統(tǒng)對原有立式加工中心進行了詳細的動力學(xué)模式識別研究。
3? 立式加工中心整體模式識別
立式加工中心整體及相關(guān)分析模型和測量分布如圖2所示。模型坐標(biāo)系為機床標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系。測試中分布63個三向加速度傳感器測量其在隨機振動環(huán)境下的振動響應(yīng),實驗共分三組,其中1-6測試點為公共測試點。
同時將測試采集到的時程數(shù)據(jù)進行坐標(biāo)變換等一些列處理后載入到模式識別軟件中進行快速傅里葉變換,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比較容易與外部條件耦合,因此本項研究所有模態(tài)識別范圍皆取至500Hz附近最為穩(wěn)定。
4? 加工中心工作臺動態(tài)對切削性能的影響分析
機械部件的機械性能受到為解決現(xiàn)有機床產(chǎn)品動態(tài)性能不足的問題,本文基于有限元方法及動態(tài)性能測試與分析聯(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床零件的合理結(jié)構(gòu),通過動態(tài)性能測試與分析進一步優(yōu)化機床整體結(jié)構(gòu),使得機床動態(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別結(jié)果計算結(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別結(jié)果,為整體分步測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,此時印證了振型優(yōu)化整合質(zhì)量。并且通過多次分析計算,將逐級機床裝配體剛度對切削過程中刀尖變,進而有針對性地降低大件質(zhì)量。對優(yōu)化前后模型進行模態(tài)分析,驗證了機床動態(tài)參數(shù)指標(biāo)。結(jié)果顯示,該方法可以有效對重型機床大件進行減重,對重型機床的輕量化設(shè)計有一定指導(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整體機床立柱剛度良好,在200Hz以內(nèi),主要振動部位為機床的底座(考慮為機床擺放位置不水平),200Hz之后,主要振動部件為主軸箱。②機床在配重1的情況下,立柱變現(xiàn)良好,底座振動明顯,配重振動較大。③機床在配重2的情況下,四階138.03Hz之前,立柱上半部位振動,主軸箱在四階138.03Hz之后振動明顯。④機床在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,在實際測試中,轉(zhuǎn)速在S10000時,發(fā)生振紋明顯在轉(zhuǎn)速為S25000的情況,進給在1500以下時,在300Hz存在功率幅值較為大的共振頻率,考慮在此轉(zhuǎn)速下進給變大。
5? 結(jié)語
隨著市場競爭的日趨激烈,輕量化設(shè)計理念越來越受到機床(尤其是重型機床)廠家的重視。對于重型機床而言,輕量化設(shè)計更多的情況是在設(shè)計中通過優(yōu)化大件結(jié)構(gòu)降低大件質(zhì)量而達到節(jié)省原材料節(jié)約成本的目的。然而,如何進行優(yōu)化、能減重到什么程度、原則是什么,卻很難界定。對此通過某型號機床的裝配結(jié)構(gòu)進行有限元的模擬分析和實際的測算,進而有效的得到了各個參數(shù)設(shè)置對于機床切削剛度的影響。并依據(jù)實際的參數(shù)數(shù)據(jù)性能進行二次測量分析和驗證。證明了通過本次設(shè)計的方法能夠有效的達到提升剛度并且減輕重量的目的。進而有效的提升了機床的動態(tài)性能。
參考文獻:
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