切削过程动力学特性测试技术研究

更多相关文档资源请访问HTTP/WWWDOCINCOM/LZJ781219完整CAD设计文件，资料请联系68661508索要毕业设计（论文）切削过程动力学特性测试技术研究学生姓名学号学部（系）机械与电气工程学部专业年级09级机械设计制造及其自动化4班指导教师职称或学位教授2013年5月22日目录摘要2关键词2ABSTRACT3KEYWORDS3前言41动态切削力系数测试系统611测定原理612试验方法72车削试验动态切削过程93动态切削力系数测试系统结构设计制造1231车削加工过程动力学特性测试系统1232合理选择切削刀具1333实验台设计134动态切削力系数测试系统结构分析与仿真1841ANSYS软件简介1942有限元法的基本步骤1943悬臂梁有限元分析205结论27参考文献28致谢30附录31切削过程动力学特性测试技术研究摘要机床的动态特性是影响机床加工的重要因素之一。在切削过程中测定切削力，进而求解切削过程传递函数值。一个标准的切削力学模型是预测在铣削、镗削、车削和钻削加工过程中切削力系数的工具。本文对切削过程动态特性进行了深入的分析，了解机床切削过程的影响因素，正确认识切削加工中的动力学特征。并以车削试验为例，分析了切削过程动态特性对加工过程的影响因素。本文中设计了一种测试切削过程动态特性的方法，即不直接测定切削力，而是用力传感器测定从激振器传递到刀具支承系统的激振力。同时对测试系统进行了结构设计，该系统是对车削加工中的动态特性进行测定。由于该系统是安装在车床上，基于车削过程的安全性考虑，在本文中对该系统进行强度分析。最后，根据对所设计的动态特性测试系统的强度的分析和计算，证明了该系统的结构形状、布局以及该系统的强度要求均满足设计要求。关键词切削过程；动态特性；测试系统；强度分析THETESTTECHNOLOGYRESEARCHOFTHEDYNAMICCHARACTERISTICSFORTHECUTTINGPROCESSABSTRACTTHEDYNAMICCHARACTERISTICSOFTHEMACHINEISONEOFTHEIMPORTANTFACTORSAFFECTINGTHEMACHININGDETERMINATIONOFCUTTINGFORCESINTHECUTTINGPROCESS,THEREBYSOLVINGTHECUTTINGPROCESSTRANSFERFUNCTIONVALUEASTANDARDCUTTINGMECHANICALMODELTOPREDICTTHECUTTINGFORCECOEFFICIENTSINTHEPROCESSOFMILLING,BORING,TURNINGANDDRILLINGTOOLSINDEPTHANALYSISONTHEDYNAMICCHARACTERISTICSOFTHECUTTINGPROCESS,THEINFLUENCINGFACTORSOFTHEMACHINECUTTINGPROCESS,ACORRECTUNDERSTANDINGOFTHEDYNAMICCHARACTERISTICSOFTHECUTTINGANDTURNINGTEST,FOREXAMPLE,THEANALYSISOFTHEDYNAMICCHARACTERISTICSOFTHECUTTINGPROCESSONTHEEFFECTOFPROCESSINGFACTORSTHISARTICLEDESIGNEDATESTCUTTINGPROCESSDYNAMICS,THATISNOTDIRECTLYMEASUREDCUTTINGFORCE,BUTAFORCESENSORTOMEASUREFROMTHEEXCITERPASSEDTOTHETOOLSUPPORTSYSTEMEXCITATIONFORCETHESTRUCTUREOFTHETESTSYSTEMDESIGN,THESYSTEMISTURNINGDYNAMICCHARACTERISTICSWEREMEASUREDASTHESYSTEMISINSTALLEDONALATHETURNINGPROCESSBASEDONTHESECURITYCONSIDERATIONS,INTHISPAPERTHESYSTEMSTRENGTHANALYSISFINALLY,BASEDONTHEANALYSISANDCALCULATIONOFTHEINTENSITYOFTHEDYNAMICCHARACTERISTICSOFTHETESTSYSTEM,THESYSTEMSSTRUCTUREANDSHAPE,LAYOUT,ANDTHESTRENGTHOFTHESYSTEMREQUIREMENTSTOMEETTHEDESIGNREQUIREMENTSKEYWORDSTHECUTTINGPROCESSDYNAMICCHARACTERISTICTESTSYSTEM；STRENGTHANALYSIS前言从国内外研究现状和发展趋势看，数控加工仿真技术国外发展得比较早，在1900年，TAILOR就将影响工件材料最大去除率的主轴转速作为优化目标。在此后很长时间内，由于加工的复杂性，切削参数寻优方法发展比较缓慢。然而，在20世纪50年代，数控加工仿真技术在国外就有了初步的结果。国外很早就开始了加工过程机理的研究，MERCHANT在20世纪40年代初以剪切面理论为基础，对剪切滑移理论进行了大量研究，建立了正交切削模型，其他学者如LEE和SHAFFER等人一句塑性令率提出了剪切角预测模型，OXLEY和BOOTHROYD对温度变化与铣削力的关系进行了理论分析和实验研究，提出了相应的温度预测模型。之后SPENCE和ALTINTAS等人采用瞬时刚性力模型针对任一时刻铣削力进行了研究，TLUSTY等人从刀具与工件之间互相作用的动力学角度提出了再生动力学模型，在理论上基本解决了加工过程中号动力学涉及的问题，为切削加工过程颤振稳定域的研究提供了坚实的理论依据，SLAVICEK利用可变齿刀具来减小振动，TLUSTY和BUDAK在此基础上进行了发展。与此同时，国内不少院校也进行了一定范围的研究，如徐安平等人提出了再生反馈的柔性模型，在再生反馈的基础上考虑了刀具静态变形对工件表面形貌的影响，从而使得表面形貌预测更为准确，此外，目前不少学者采用有限元分析技术和相应软件，进行分析铣削过程中残余力、残余应力、应变和温度的变化规律，希望能从微观的角度对铣削过程进行研究。机床切削的稳定性，决定于机床结构的动柔度和切削过程的动态特性，切削过程的动态特性通常可用动态切削力系数（DCFC）来表征，而由于切削过程非常复杂，影响因素也很多，因此DCFC往往是通过各种实验的方法进行确定的。1969年以来，国际生产工程研究会（CIRP）组织了DCFC的国际合作研究，已取得了一定的成果，但仍有大量尚未解决的问题。目前确定DCFC的方法可归纳为两类动态切削法和静态切削法。（1）动态切削法（动态法）是通过动态实验并辅以数据处理确定DCFC，国内外许多大学和研究机构在这方面都进行了卓有成效的研究工作，但是这类方法的实验工作量大，测试设备复杂，代价昂贵，试验的工艺条件有限，虽然目前动态切削法在理论、数据处理的技术以及实验手段上已不断完善，但在测试技术上仍还存在不少困难，由于受到测试技术的限制，使得在试验中不得不对切削状态和机床结构进行特殊的设计和处理，导致研究条件和实际工作状态有一定的偏差，难以推广应用，动态切削法目前仅限于试验研究。（2）静态切削法（稳态法）是以测量静态（稳态）切削分力为基础，通过假设的特定模型，由静态切削的结果经理论计算得到动态参数，因此比较容易实现。静态切削法主要分成剪切平面法（THESHEARPLANEMETHOD）和刚度增量法（THEINCREMENTALSTIFFNESSMETHOD）两类。静态切削法是解决动态问题的间接方法，能给出DCFC的解析式，便于分析各切削参数对DCFC的影响，从而可以进一步分析各切削参数对切削稳定性的影响。很长时间以来，随着我国航空技术的发展，对于零件的要求也在不断提高，而航空发动机结构的不断整体化和轻量化，其关键零部件的发展趋势是形状越来越复杂、壁厚越来越薄。对于航空航天工程广泛采用薄壁复杂结构的零件，实现其高效精密数控加工关键技术具有重大的实现意义，传统的CAD/CAM软件在确定切削策略和规划刀位轨迹时，一般仅基于零件的理想几何形状，由于切削力引起的刀具、零件显著的加工变形，必然导致零件的实际加工表面与理论值之间存在较大偏差。薄壁件的加工变形预测和精度保障技术是长期困扰我国航空领域的技术难题。因此，为了能够从根本上解决这一难题，很有必要通过建立准确的切削力预报模型，仿真切削加工的物理过程，解释工件和刀具的加工变形规律，补偿原始数控刀具轨迹，最终达到改善工件精度和提高加工效率的目的。以立铣加工过程为研究对象，研究立铣加工过程及铣削力的精确建模是薄壁件加工变形控制的基础，对加工工艺的优化有重要的指导意义。从分析切削面积的变化入手，总结出不同切深组合（径向和轴向切深的不同组合）下铣削力的变化规律，根据实际加工切深所属类型，合理组合切深进行试验并处理数据，从而有效地减小了因不考虑切削力变化的不同分类而造成的切削常数预测上的盲目性，提高了切削力模型的预测精度。从上述中，我们不仅得知可以以一种新的方法来更加准确计算求得动态切削力系数（DCFC），即静态切削法，这种方法几乎可以不再进行专门的实验工作，简单易得，经济实用，而且这种方法所确定的结果具有良好的可信度，给估计机床切削的稳定性状况及分析机床切削的稳定性特性提供了极为有效的条件。而通过建模仿真的方法，可以有效地减小了因不考虑切削、铣削加工过程中的切削力变化的不同分类而造成的切削常数预测上的盲目性，提高了切削力模型的预测精度。切削加工过程的自激振动一直是科技工作者和生产厂家所关心的问题。在加工过程中由于任何的偶然因素（如工件中的硬质点）使得机床刀具工件所组成的工艺系统产生振动。机床切削时的稳定性依赖于工艺系统的动态特性和切削过程的动态特性。经过研究分析，动态切削力系数（DCFC）应该是一个复数，并且可以近似用的线性形式表示。相对于二维切削，在三维CJK1切削研究领域上，经过间接的验证，以建立三维切削的三维动态系统模型为基础，研究条件与机床实际工作状态一致，以一种新的途径给出DCFC的稳态切削参数解析式，同时考虑切削状态方式、刀具副切削刃残余切削的情况、刀具几何形状与参数及动态切削力，使其更具有一般性和较广泛的使用价值。1动态切削力系数测试原理在切削过程中测定交变切削力，以及进而求解切削过程传递函数值的试验方面，虽然近些年来世界各国的大学等单位合作进行了共同的研究，可是，各单位的测定值仍然有相当大的差别，对于产生动态切削力的机理还有一部分没有达到可下定论的阶段。2在切削试验中，根据直接测定的切削力交变分量和振动位移这两项结果，决定切削过程的传递函数，并和再生效应或内调制波虚数部分效应的理论作比较，这样的工作已作了一些尝试。在处理实际的振动问题时，先要进行切削试验，以诊断振动的种类，然后应测定静刚度、结构动态特性、进给驱动机构的动态特性。11测定原理如图11所示，刀具支承系统内的悬臂梁只在一个主振模方向（其方向角是）上易于振动，在这一方向上对刀具支承系统激振，同时进行切削。设激振力的瞬时值为，并设刀具在主振动方向上的振动位移为，与主振模方EMFM向垂直的振动位移为，在这两个方向上刀具系统的动刚度分别为和。NTN图11测定切削过程动刚度传递函数的原理2因为比小得多，所以在切削中刀具的振动位移几乎只发生在主振模TMN方向上。又如图11所示，若将交变切削力在主振模方向上的分量用表示，MF对应于主振模方向上振动位移的切削过程动刚度用表示，则从作MTMC用在主振模方向上的力彼此平衡的条件出发，下式成立（式11）TFE又因，将它代入上式，便得到TFCM（式12）EMTCM根据这个公式，首先测定在空转不切削时刀具系统的动刚度，然后开始TM切削，得到在切削中测定的动刚度，则它们的差值就是切削过程在主FE振模方向的动刚度。CMT另外，在与主振模方向垂直的方向上，悬梁臂的前端也有极小的振动，若令其振动位移为，在与刀具支承系统的主振动方向垂直的方向上的动刚度为N（由于在这个方向上振动的固有频率高得很，因此在试验所用的激振频率下，TN它处在静变形的状态下，就成为与频率无关的常数），这个方向上产生的交TN变切削力相对于主振模方向位移的动刚度为，则由NFMMFTNC（式13）FNN,可以得到（式14）MNTC因此，如果已测出空转时垂直于主振模方向的动刚度，再测定切削中在两个TN方向上的位移之比（），也可以求得。MNN12试验方法如图12所示，将刀具安装于只在一个主振模方向上易于振动的悬梁臂的前端，用小型电动式激振器（激振力为1千克力）在主振模方向上对悬臂梁激振，同时进行外圆车削。激振频率应调整在能引起共振的范围（即在共振频率前后各5左右）内。应注意到悬梁臂具有146赫（一阶弯曲振动的共振频率）到1167赫四种共振频率。放松夹具上固定悬臂梁的夹紧装置，使梁倾斜一个角度，同时使梁前端上固定刀具的部分在反方向倾斜相同的角度，这样就可以任意调整刀具的易于振动的主振模方向。M为了能使用这个试验方法正确地测定切削过程动刚度，从试验的原理来考虑，必须具备如下前提（1）被切削工件的振动比刀具系统的振动要足够小；（2）刀具系统的动刚度及切削过程的动刚度、都不能随振TNM、CMTN动振幅大小而变，即它们都是线性的；（3）和刀具主振模方向的振动位移相比，与它们的振动位移要足够小；（4）在不激振时进行切削，不产生自激颤振。试验主要是在悬臂梁的主振模方向和刀具的切入方向一致的条件下（即图11中的情况）进行的。这时，。在图13中表示了测0CXMTCYN图12测定切削过程动刚度的切削试验装置概况图21卡盘；2工件；3刀具；4加速度传感器；5悬臂梁；6力传感器；7固定刀具支承系统的夹具；8横进给刀架定切削过程动刚度及的实例。根据这个图，在频率仅增加了工件的回转CXTY频率时，及在圆周上绕一圈。这些圆的圆心分别在低于实数轴及高60N于实数轴的位置上。这和理论分析所得的结果是一致的。因此，从圆心的实数坐标及虚数坐标可以分别求出动态切削力系数和内调制波虚数部分效应的大小。图13切削过程动刚度及的测定结果示意图CXTY2车削试验动态切削过程车削加工过程的动力学模型如图21所示，为切削系数的稳态分量，0F为动态分量。DF以及分别为和在，三个方向上的分量，ZYX00,DZYDXF,0DXYZ即（式21）DZYDXF00令（式22）100DZDX（式23）200DZDYF则（式24）DYD100（式25）DXDF200式中，是和在平面上的分量。，是和在平面上01FD0DFXOZ02FD0DFYOZ图21车削加工动力学模型的分量。设与的夹角为，与方向的夹角为。在刀具一边振动一01FX01DFX1D边切削而产生内调制波的情况下，总切削力在和两个方向上的分量为Z（式26）SINSINCOCO101XXDZX式中为切削速度，考虑到动态切削力幅值远小于稳态力（即），并设01FD（式27）011FP若仅考虑动态力，将（式26）进行简化，则可得综合考虑再生效应与切入效应的动态切削力在和两个方向上的都分量为XZ（式28）2SINSICOC011PDDZFF对于稳态切削力,可以表示为0（式29）PAK0则（式210）PSF01式中,为稳态切削力系数，为进给量，为切削深度。将（式210）0K1SA代入（式27）中，得到（式211）201011TXSKJXPPP式中为切削颤振频率等于时残留在工件表面的振纹波长。又根据再生FF效应基本原理，有（式212）111TXEBKFJD式中为动态切削刚度系数，为分析在平面内振动时的等效切宽分量，1DKOZ为分析在平面内振动时的重叠系数，为前后2次切削的相位差。将XOZ（式211）和（式212）代入（式28）中，并令（式213）011011SINCOISKZXDDZX则有（式214）2101TXSAJEBFPXJDZZZX按切削过程的动刚度定义（式215）XFPDZZXX式中为切削过程的直接动刚度，为切削过程的交叉动刚度。由XPZX（式214）可得出切削过程的动刚度（式216）21011PXDZJDZZXZXXSAKJBEBK同理，通过分析切削力系统在平面的切削力与振动特性，可以得到YO（式217）202PYDZJDZZYZYSAJBEBP式中为切削过程的直接动刚度，为切削过程的交叉动刚度，为YYP2B分析在平面内振动时的等效切宽分量，为分析在平面内振动时的重O2OZ叠系数（式218）022022COSINSKYDDZY式中为动态切削刚度系数，为稳态切削力系数，为与方向的夹2DK2DFY角，为与方向上的夹角。0FY3动态切削力系数测试系统结构设计制造由于试验条件限制，本次设计的主要试验研究对象为车床车削过程动力学特性。将设计制造一种可以安装在车床上的实验台，对在车削过程中产生的动态力进行测试记录。将刀具安装在所设计的实验台的悬臂梁上，用激振器对悬臂梁激振，同时进行外圆车削。31车削加工过程动力学特性测试系统要将试验台安装到车床上，必须保证安装后的刀尖与车床的主轴在同一轴线上。同时还要考虑悬臂梁在车削加工过程中的稳定性，故将车削加工过程动力学特性测试系统设计如图31所示。其中悬臂梁可以伸缩调整，以适应在车床上的不同要求，并且可以在一定程度上对悬臂梁于加工过程中稳定性的调整，这样设计是考虑悬臂梁不会发生轴向震颤扭转。固定悬臂梁的基座用螺钉固定在底板上，便于拆卸。为了研究安装跟刀架的最适宜所进行的振动试验方法，用安装在刀架上的车刀进行外圆车削试验，由于心轴的弯曲振动，易于发生再生颤振。图31车削加工过程动力学特性测试系统三维造型图32合理选择切削刀具根据由颤振理论导出的某些原理，合理选择切削刀具，是防止发生再生颤振的可行措施之一。（A）选用切削量变动时切削力变小的刀具根据式31，当选用切削力随瞬时切削量变化小的刀具时，这意味着值DXK的减小，即不发生颤振的极限切削深度值的增大。因此，选择切削力小的大前角（正值）刀具是防止发生再生颤振的方法之一。（B）减小重叠系数合理选择切削刀具的另一个原理是减小重叠系数。重叠系数是表示对再生效应影响程度的量，它是由容易发生振动的方向（主模态方向）、刀具切削刃的形状以及切削深度、进给量等综合因素所决定的。在本次设计试验中，根据以上合理选择切削刀具的条件以及试验条件，选用的车刀为SNMG120404MAUE6020。图33试验选用的车刀三维造型图33实验台设计根据车床的实际情况，将车床的刀架卸下后，安装上所设计的试验台，并保证实验台能够在车床上正常、稳定地工作。如图34所示，将刀头处的受力情况可分解成3个方向不同的力（）。为了防止附加弯矩过大,对传感器产生不良影响,所以,安装传ZYXF、感器的截面应尽量靠近刀尖。图34主要结构模型主要结构尺寸分析（1）刀尖的高度对向刚度影响较大,因为传感器晶组的高度约为1BZ18MM,再留出一定调整余量,考虑一定的壁厚,所以,取值范围为1B4250MM。（2）刀尖悬伸应尽量短，关键取决于，取值范围为5060MM。C（3）车床上刀架夹刀槽的宽度决定应小于34MM,根据实际情况，取值230MM。根据以上约束条件，计算主要结构尺寸为。MBMB30,6,421图35车削过程动力学测试系统悬臂梁三视图图36悬臂梁三维造型图根据以上计算的主要结构尺寸，以及满足实际车床的安装条件，如图35和图36，是所设计的车削过程动力学特性测试系统的悬臂梁刀架，进行试验时，将刀具安装在该悬臂梁上（如图37），悬臂梁可以伸缩调整悬长，以适应各种试验条件。采用悬臂梁的方法，使得刀架在车削加工过程中不产生轴向颤振以及轴向扭转，保证试验结果的准确性。图37刀具安装于悬臂梁三维造型图图38所示，为固定悬臂梁的基座和压板，基座是用螺钉固定在底板上，在车削过程中基座不会晃动从而影响试验结果。图38悬臂梁固定基座与压板在设计悬臂梁基座时，应该考虑基座的稳定性以及强度，因此，在基座上焊接筋板，可以解决这种问题。本次设计试验采用电动式激振器在主振模方向上对悬臂梁（刀具）进行激振。电动式激振器是利用带电导体在磁场中受到磁场力的作用而产生运动。当由励磁电源提供直流电流后，就在磁路的环形气隙中形成一个强大的恒定磁场，信号发生器产生交变信号，经功率放大器放大后，输入到动圈，它与磁场作用即产生一个交变的力，推动悬臂梁（刀具）在一定方向上运动。图39电动式激振器电动式激振器的结构如图310所示，驱动线圈7固装在顶杆4上，并由支承弹簧1支承在壳体2中，线圈7正好位于磁极与铁芯6的气隙中。当线圈7通过经功率放大后的交变电流时，根据磁场中载流体受力的原理，线圈将受到与电流成正比的电动力的作用，此力通过顶杆传到被测对象，即为激振力。但0I是，由顶杆施加到被激对象上的激振力，不等于线圈受到的电动力。传动比（电动力与激振力之比）与激振器运动部分和被测对象本身的质量刚度、阻尼等因素有关，而且还是频率的函数。只有当激振器可动部分质量与被测对象的质量相比可略去不计，且激振器与被激对象的连接刚度好，顶杆系统刚性也很好的情况下才可以认为电动力等于激振力。图310电动式激振器结构图1弹簧；2壳体；3磁钢；4顶杆；5磁极；6铁芯；7驱动线圈图311车削过程动力学测试系统底板三视图图312车削过程动力学测试系统底板三维造型图图311和图312所示是车削过程动力学特性测试系统的底板，悬臂梁基座、激振器基座以及激振器均由底板承载，再将底板安装固定在车床原进给刀架的位置上。底板上的孔均为固定悬臂梁基座以及安装于车床上的螺纹孔，采用M16的螺钉。设计成这个形状，是基于节约材料、减轻重量以及美观等理念，而在底板上有个条形槽，是与悬臂梁基座噬合，不仅能够将悬臂梁基座定位在底板上，还能在一定程度上抑制基座发生位移形变。激振器安装于底板上，为了激振器能够稳定工作，将激振器基座焊接于底板上（如图313所示）。基座上上下2个条形孔，是当将激振器放上基座后，再用螺钉穿过条形孔固定激振器；中间比较大的条形孔，是供激振器的顶杆使用。这样设计同时可以满足激振器位置调整的需求，且减轻了整体结构的重量。（附录1电动式激振器装配图）图313电动式激振器基座三维造型图4动态切削力系数测试系统结构分析与仿真随着现代工业、生产技术的发展，不断要求设计高质量、高水平的大型、复杂和精密的机械及工程结构。为此目的，人们必须预先通过有效的计算手段，确切地预测即将诞生的机械和工程结构在未来工作时发生的应力、应变和位移状况。但是传统的一些方法往往难以完成对工程实际问题的有效分析。对于几何形状复杂、不规则边界、有裂缝或厚度突变，以及几何非线性、材料非线性等问题，试图按经典的弹性力学方法获得解析式十分困难的。因此，需要寻找一种简单而又精确的数值分析方法，有限元法正是适应这种要求而产生和发展起来的一种十分有效的数值计算方法。工程仿真的基本方法是有限元法。结构分析有限元法是1950年至1960年期间，由学术界和工业界的研究人员建立起来的。通常我们都是应用ANSYS有限元分析软件进行结构仿真分析。41ANSYS软件简介ANSYS是一个融结构、热学、流体、电场、磁场、声学和爆破等分析为一体的大型通用有限元分析软件，它将现代数学、力学的基础理论与有限元分析技术、计算机图形学和优化技术相组合，具有丰富和完善的单元库、材料模型库和求解器，利用数值模拟技术搞笑求解各类结构动力、静力以及线性和非线性问题。作为一个强大、应用广泛的大型有限元分析软件，对结构的力学分析上，通过建模，施加载荷进行数值模拟，可精确分析和计算应力和应变大小，显示应力和应变的分布情况，从而达到强度分析和优化设计的目的。42有限元法的基本步骤有限元分析法的基本步骤分为三大步骤结构离散化、单元分析和整体分析。（1）结构离散化结构离散化是有限元法分析的基础，是进行有限元分析的第一步。所谓结构离散化，就是用假想的的线或面将连续物体分割成由有限个单元组成的集合体，且单元之间仅在节点处连接，单元之间的作用仅由节点传递。（2）单元分析单元分析包括选择位移函数、建立单元平衡方程、计算等效节点力三个方面的内容。连续体被离散成单元后，每个单元上的物理量的变化规律，可以用简单的函数来近似表达，这样的简单函数为位移函数，又称位移模式。在选择了单元类型和相应的位移函数后，即可按弹性力学的几何方程、物理方程导出单元应变与应力的表达式，最后利用虚位移原理或最小势能原理建立平衡方程，也是刚度方程，其系数矩阵为单元刚度矩阵。（式41）EEFK式中，角标为单元编号，为单元的节点位移向量，为单元的节点力EEF向量，为单元刚度矩阵。EK（3）整体分析其基本任务是建立整体平衡方程，形成整体刚度矩阵和节点载荷向量，完成整体方程求解。有限元法的分析过程是先分后和，即先进行单元分析，在进行整体分析。形成整体平衡方程为（式42）FK式中，为整体节点位移向量，为整体节点位移向量，为整体载荷向KF量。然后是方程求解，方程求解包括边界条件引入和数值计算，一旦利用适当的数值计算方法求出未知的节点位移以后，即可按弹性力学的应力、应变公式计算出各个单元的应变、应力等物理量。43悬臂梁ANSYS有限元分析进行有限元分析的悬臂梁如图41所示，选用材料属性弹性模量为，102E泊松比为03。图41悬臂梁三视图及主要尺寸根据以上主要数据，利用ANSYS有限元分析软件，导入已设计的悬臂梁PRO/E三维造型，建立三维有限元模型，再设定悬臂梁的材料属性，进行网格划分（如图42所示）。然后对悬臂梁施加约束条件以及载荷，施加约束条件时，将固定端限制为ALLDOF（即约束所有位移），选择位移数为0，自由端不需要施加任何约束。进行求解，即可查看分析结果。图42悬臂梁有限元分析网格划分图43悬臂梁施加约束载荷后变形图图44悬臂梁施加约束载荷后变形图如图43和图44所示，在仅对悬臂梁固定端边线进行约束，和对工作面进行施加载荷，施加的载荷分别为刀尖部分载荷为100，承受激振器施加N激振力的工作面为10，通过有限元仿真计算后得到的结果，图中所示，悬臂N梁自由端在承受约束和载荷后，形变量为438。M为了检验悬臂梁的刚度能够适应试验条件的要求，将对悬臂梁不同悬长进行仿真分析。在施加相同载荷（即刀尖部分载荷为100，承受激振器施加激振力的N工作面为10）条件下，对悬臂梁不同悬长进行分析。由于悬臂梁是通过悬臂N上的条形孔用螺钉固定于基座上，故分别在56（如图45）、116（如图MM48）、176（如图图411）的悬长进行约束，再进行仿真分析。得到在不同M悬长相同载荷时，悬臂梁的形变量。通过比较悬臂梁在不同悬长相同载荷时仿真计算得到的形变量，可以确定悬臂梁在整个动态力学测试系统中强度要求是否合理。经过ANSYS有限元仿真分析计算后，由图47、图410、图413可得形变量大小，分别为4777、4788、4813，3个形变量均小于20，MMM因此，本次设计的动态力学测试系统刀架悬臂梁的强度符合要求。图45约束悬长56施加约束载荷示意图M图46约束悬长56施加约束载荷后变形图M图47约束悬长56施加约束载荷后形变量M图48约束悬长116施加约束载荷示意图M图49约束悬长116施加约束载荷后变形图M图410约束悬长116施加约束载荷后形变量M图411约束悬长176施加约束载荷示意图M图412约束悬长176施加约束载荷后变形图M图413约束悬长176施加约束载荷后形变量M5结论长期以来，机床加工过程产生的颤振等影响因素，对于精加工工艺造成很多困扰，但这些非人为的影响因素是在加工过程中自行产生，并不能人为地进行消除，只能尽量减小其对精加工工艺的影响效果。因此，能够较准确地测试出动态力系数的大小，对于切削加工工艺减小颤振影响效果具有非常大的意义。鉴于国内外的学者对切削加工过程中的动态力学进行了大量的研究，本次设计也是建立在这些研究的基础上，设计了一种能够测试车削过程动态力学的测试系统，使用激振器在刀架悬臂梁的主振模方向进行激振，同时进行外圆车削试验，利用传感器对车削过程产生的动态力进行监控测试，并使用计算机对数据进行记录分析。由于所设计的测试系统是将应用于车削试验，必须对测试系统的结构以及选用材料的强度进行分析。经PRO/E仿真分析，该测试系统的形状结构、尺寸是可以应用于车床上的，且各零部件布置位置，能够在车削加工过程中正常使用；经ANSYS有限元仿真分析，该测试系统选用材料（45号钢）以及设计的尺寸和结构的刚度、强度（主要悬臂梁部分）达到要求（形变量01），且受力分布均匀合理。M由于时间限制等原因，没有对所设计的测试系统进行实际车削试验，因此不能利用该测试系统对实际车削过程的动态力特性进行测试分析研究。不过，通过模拟仿真分析，该系统还是可以应用于实际操作的。参考文献1师汉民金属切削理论及其应用新探2003,武汉华中科技大学出版社2星铁太郎（著）机械加工颐振的分析与对策顾崇衔,褚家麟,陈人亨等译上海上海科学技术出版社,18943星铁太郎（著）机械加工振动分析师汉民，卢文祥，孙健利译武汉华中科技大学出版社4翁泽宇，鲁建厦，贺兴书动态切削力系数的使用求法1997，杭州浙江工业大学学报5康永刚，王仲奇，吴建军，姜澄宇立铣切削力分类研究及精确铣削力模型的建立2007，西安航空学报6胡创国，张定华，任军学，杨蕾切削力建模方法综述2006，西安力学进展7翁泽宇，彭伟，贺兴书确定三维切削动态切削力系数的新方法2003，杭州东南大学学报8陈继武，杨绪光用复动态切削力系数和时序分析法研究机床工作的稳定性1988，北京农业工程大学学报9李劲松加工过程动力学仿真硕士学位论文2007华中科技大学10YUSYKEKURATA，SDORUKMERDOL,YUSUFALTINTAS,NORIKAZUSUZUKI,EIJISHAMOTOCHATTERSTABILITYINTURNINGANDMILLINGWITHINPROCESSIDENTIFIE