钢珠式减振器在铣床模型机上的减振实验研究.doc

2006届机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文）1第1章绪论1.1机床振动问题的研究现状和发展趋势目前还仅限于普通机床研究、对高速或超高速机床的动态特性的研究还罕见报道。超高速机床具有高刚度、高抗振性，比传动机床动态性能高510倍，刚度高50%左右，通常不小于100N/0.001mm的数量级，所以有必要研究超高速机床的动态特性。确定机床结构的振动对加工精度的影响。找出机床的薄弱环节，并从机床结构的动态特性方面，提出一些抑制及改造措施。在超高速机床上进行不同工况条件下的动态特性实验，切削条件下的实验与上面的工艺实验同时进行，主轴转速为1700转/分、9000转/分。实验证明机床的动态性能和各项振动指标为各阶固有频率，各阶振型和阻尼，动刚度及幅频、相频特性。目前，对机床动态的研究主要有试验模态分析法和有限元法。首先分析各个零部件的结构（如床身、立柱、床头和工作台）在三维软件pro/E中建立CAD模型，分别导入Ansys分析软件中，作模态分析测出固有频率和振型。结合实际结果，找出薄弱零部件，并提出优化方案。仅分析个别零部件，无法全面反映机床整机的性能，因为各零件之间结合部对整机的动态性能影响很大，所以有必要做包括结合部在内的整机动力学分析。近几年已有北京理工大学、东南大学、上海交通大学等少数研究机构用有限元法分析整机动态性能，他们采用的研究方法各不相同，特别体现在结合部的处理上，精度有高有低，难度有易有难。我们尝试了一种新的方法，在pro/E中装配各种零部件的CAD模型，作为导入专门的前后处理软件Hypermesh中划分网格，再导入Ansys中分析，该方法全部在商品化软件平台上进行。它的优点：1、CAD模型从pro/E导入Hypermesh时，可以保证模型完全准确地导入，不需做任何修改。2、结合部直接采用软件中现有单元，可以方便地调整参数。国外，机床结构的动力学修改和动态优化设计等方面的研究发展很快，梁安谦：钢珠式减振器在铣床模型机上的减振实验研究2普通采用有限元法对机床部件及整体进行动态特性分析，并已用于高速机床的开发和研究中。西班牙的M、Zatarain用有限元法对立柱移动式铣床进行模态分析，采用Nastrain和T-deas两种商用软件，建立包括床身、立柱、头架及它们之间的滚动导轨结合部在内的整机模型，并进行了模态分析，可以通过几种方案的比较，选择其中较合理的结构。韩国科学技术高级学院JungDangSuth和DaiHiuLee用有限元法分析高速机床的主轴外壳的阻尼特性，并用有限元法对高速铣床的滑块结构进行分析，得到一种新型的复合结构，不仅减轻质量，还提高了它的阻尼系数。1.2振动的危害及其产生的原因机床振动是不希望产生的。这是由于振动所产生的噪声可能刺激操作工人，引起疲倦，使其工作效率下降；并且它又可能使机床零件过早出现疲劳破坏，从而使零件的安全程度、可靠性和强度下降；机床的振动还会导致被加工工件的表面粗糙度和精度降低，刀具寿命和生产率下降。因此，必须了解机床振动的规律，并尽可能加以限制。机床工作时发生的振动基本上分为三大类：一是自由振动，二是受迫振动，三是自激振动。1.自由振动，是在系统本身所固有的内力作用下发生的，而不受外力的作用。在自由振动的状态下，系统以它的一个或几个固有频率振动着，这些固有频率是动态系统所具有的特征。自由振动通常是通过地基传来的冲击引起的，有时也是由于往复运动的部件快速反向所引起的。一般来讲，多自由度系统的自由振动是包含几个频率分量的周期振动。2.受迫振动，即指在外激振力扰动下激发的振动。例如在车床，铣床和磨床上，常见到迴转主轴系统的受迫振动，其频率取决于迴转主轴系统的转速。主要振源有以下这些：（1）地基引起的机床振动。（2）高速迴转的机床不平衡部件和工件引起的振动。（3）机床传动机构的缺陷所引起的振动。（4）切削过程的间歇特性搜引起的振动。（5）往复运动的机床部件2006届机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文）3的惯性力所引起的振动。3.自激振动，或称颤振，是刀具和工件之间自发产生的振荡，可以根据其振幅突然增长的特点来加以识别。自激振动是由机床本身所产生的。通常是由于切削过程的动态不稳定或在导轨上运动质量的动态不稳定（爬行）或液压伺服机构的动态不稳定等原因造成的。发生自激振动的原因，主要由以下这些（1）切削过程中，由于存在欠阻尼特性而引起初生颤振。（2）前一次在工件表面产生的振纹，将使第二次走刀的切削深度发生周期性的变化，从而产生交力而加强颤振。（3）由于机床结构本身特性所引起的机床颤振。机床的加工质量主要是由静态精度和动态特性决定，在机床设计中往往已经确定其工作范围，在机床的使用中若在这个工作范围内达不到所需要的加工精度，往往都是由振动引起的，而静态精度则是可以通过调整机床达到的，动态性能在传统的机床设计方法中很难实现，而在现代设计方法中，即虚拟样机技术则可以通过物理仿真提前对机床性能进行了解。振动对加工的影响主要有：1、工件加工质量下降。2、产生大量噪音。3、加工效率下降。4、振动引起工艺系统承受动态交变载荷，对机床薄弱环节易产生破坏。1.3预防机床振动的对策随着生产技术的不断发展，对零部件加工质量要求的日益提高，防止和消除机床的振动已成为迫切需要解决的问题。当开动机床进行加工时，由于机床各运动部分彼此发生一定规律的相对运动，因而其摩擦表面上必然有摩擦作用着，机床回转部分不平衡等因素必将使回转系统受到离心力的作用，切削过程中刀具切入工件的金属层，将会使整个机床系统受到切削力作用，这些作用力并非保持常值，有的是周期性变化的；有的可能同系统某些元件的刚度轴线有一定的方位关系等，这些力在某些条件下会起一定的激振作用，从而使整个机床系统或其零部件发生各种类型的振动。一般说来，许多弹性振动部件系统都可背简化成单自由度振动系统，其梁安谦：钢珠式减振器在铣床模型机上的减振实验研究4振幅的一般表示为：2222114nnPAK（11）式中A表示振幅,P是激振力，K是系统刚度，n是固有频率，是激振频率，是阻尼。由此可见，为减少机床振动的振幅，必须做到：（1）减少激振力P（2）增大系统中的刚度K（3）增大系统的阻尼（4）提高系统的固有频率n或改变激振频率，以使两者远离。为了减小振动带来的种种危害，减小甚至消除振动是很有必要的。主要方法有：1、减少外界振动干扰。2、隔离振源。3、提高机床加工系统的抗振性、增大系统阻尼。4、使用减振器。5、调整振源频率，避免产生共振。一般说来，增强“机床刀具工件”工艺弹性系统的刚度，是提高工艺系统抗振性从而防止振动的最普遍方法，它在任何情况下可用来防止受迫振动和自激振动，并能消除破坏工作过程平稳进行的个别冲击因素的影响。因此，为了提高整个工艺系统的刚度，增强工艺系统各环节，特别是切削力传递路线上最薄弱环节的刚度，显然是很重要的。当减轻零件的重量既不会降低系统的刚度，也不会使系统特性发生其他不利的变化时，减轻主振系统的质量同提高系统刚度的作用一样，都能提高系统的固有振动频率，从而减小了振动的振幅，即起了提高系统抗振性的作用。必须指出，增加振动系统的阻尼，例如适当调节零件某些配合处的间隙，以及采用阻尼消振装置等，将增强系统对激振能量的耗散作用，从而就能防止和消除振动，保证系统平稳的工作。当振动发生以后，减小激发振动的激振力，即减小受迫振动时的外激振力，或自激振动时的内激振力，往往是必2006届机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文）5须采取的消振措施。对于前者例如可减少回转零件的不平衡度；对于后者则借助于改变切削条件等方法。第2章铣床模型机的设计2.1X62W的结构分析X62W型万能卧式铣床是目前结构比较紧凑，用途比较广泛的一种铣床。其主要特点是：转速高（最高可达1500转/分）、功率大（主电动机功率为7.5kw），刚性好，操作比较方便。工作台装有丝杠间隙消除机构，可以进行顺铣、逆铣以及高速铣削。并且工作台可以进行横向、纵向、升降三个方向移动，纵向行程可以实现自动循环和半自动循环运动。图（21）X62W铣床X62W铣床可以用圆柱、圆片、角度、成形、端面及棒形等铣刀进平面、斜面、沟槽、角度、成形面及切断等加工。使用分度头，可用来进行花键轴、离合器、齿轮及螺旋线等铣削，同时还可用来进行镗孔。由于这种铣床的纵向工作台能正反扳专450，可以铣削带螺旋线的工件，如钻头、铰刀、斜齿轮等，也可以给各种刀具开齿，用途比普通铣床广泛得多。X62W万能升降台铣床的主要组成部分及用途如下：梁安谦：钢珠式减振器在铣床模型机上的减振实验研究6(1)床身是机床的主体，用来安装和连接机床的其它部件。床身一般是用优质灰铸铁铸造成箱形，主轴变速箱即在床身内。床身的前壁有供升降台上下移动的垂直导轨。床身上面有水平导轨，横梁即在此导轨面上移动。机床的主电机装在床身的后面。(2)横梁位于床身的上部。利用导轨可以调整横梁的伸出长度，并可用床身侧面的螺母将其固定。横梁的前端装有挂架，铣刀刀杆的一端与主轴孔相连，另一端则装在挂架上的孔中。在加工大型工件时，可加装特种支架支持横梁，以增加其刚性，减少切削时的振动。(3)支承架支承架悬挂在横梁上，用来支承刀轴，以免在铣削时刀轴发生振动和弯曲。有进给电动机，进给变速箱和进给传动机构等一套完整的进给系统。进给变速箱：进给变速箱主要用来改变工作台和升降的进给速度。(4)刀轴刀轴也称为刀杆。用刀轴来安装铣刀，它的一端为锥柄，紧固在主轴锥孔中，另一端由横梁上悬挂的支承架支承。(5)主轴主轴用来安装、紧固铣刀轴并带动铣刀旋转，它与主轴变速机构、主电机一起组成铣床的主传动系统。(6)底座底座用来盛冷却润滑液，支承床身并承受机床全部重量。2.2模型机设计说明本实验主要是进行减振研究，为了简便起见，用模型机代替X62W铣床进行。在体现出实际卧式铣床主要结构特点后，大部分的机构被忽略，且模型机的设计不是本论文的重点，所以设计说明简单介绍。模型机外观如图（22）所示：2006届机械设计制造及其自动化专业毕业设计（论文）7图（22）模型机的外观模型机的外部结构主要由减振槽、立柱、底座、挂架几部分组成。减振槽是模型机中重要的部分，与立柱、挂架连接，是由钢板焊接成的三个开口槽，在减振实验中用于放置可以增加阻尼的钢球。减振槽的悬臂端是模型机柔性最大的地方，用以安装激振器和加速度传感