MJ—50型数控车床进给传动系统设计【说明书+CAD】
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黄河科技学院毕业设计文献翻译第1页机床系统刀尖点的动力学响应耦合摘要颤振已经成为影响高速加工的一个最主要因素，刀尖点的频率响应函数是识别稳定性切削的关键。为了能快速获取不同刀具刀柄主轴组合的机床整机频响函数，目前有研究将机床整机分解成几大部分，其中刀具往往等效为均匀直径梁，且没有分析这种近似等效带来的误差。针对上述问题，对机床主轴刀柄刀具这一系统提出一种新的划分方法，并采用响应耦合子结构分析技术进行频响函数求解在所提划分方法中将整机分解为三个子结构机床主轴部分、刀柄和刀杆部分、刀具的刀齿部分。机床主轴的频响函数通过锤击法获取，刀柄和刀杆的频响函数采用TIMOSHENKO梁模型计算得到，刀齿的频响函数则采用有限元计算获得，同时还计算采用梁模型等效刀齿结构的频响函数，最终通过子结构耦合方法得到整机的频响函数特性，由三种不同刀具悬长的整机频响函数特性测试结果发现，所提预测方法精度较好，同时也发现刀齿的等效梁模型同样能获得较高的预测精度。所做研究为工程上机床刀尖点的动力学响应提供了一种快速预测方法。关键词响应耦合动力学立铣颤振1引言在航空航天和汽车的制造要求不断提高的情况下，在高速加工中材料去除速度是可以通过提高主轴转速或轴向深度削减速度来达到。加大对允许的轴向深度的颤振限制，这促使许多人去颤振分析和研究相关避免的方法13。稳定叶图可以用于识别稳定和不稳定的切削区的模拟芯片宽度和主轴转速以及它们之间的关系。然而，研究刀尖点方面的知识需要去完成一个机床主轴刀柄刀具的组合稳定性动态响应叶图。锤击法被广泛用于研究和在工厂中来识别刀尖点的动力响应。然而，这往往需要大量时间去对机床主轴刀柄刀具进行测试。因此，通过预测刀尖点的动态的方法为其提供了一个首选替代方案。施密茨等47，开发出一种方法简称为响应耦合结构分析（RCSA），它可以用来对机床主轴刀柄刀具相黄河科技学院毕业设计文献翻译第2页似的动态预测。对与响应耦合结构分析法来说，先前已有人用欧拉伯努利或TIMOSHENKO梁理论来对刀柄进行建模，刀具的刀齿部分，近似为一个标准的圆柱梁。例如，PARK等8，ERTURK等9，NAMAZI等10，菲利兹，等11，在使用等效直径梁的基础上采用响应耦合结构分析的方法对刀具动态进行研究。首次由的KOPS，等12提出的当量直径和基于等效遵守和转动惯量的方法来简化计算最终磨偏转。KIVANC，等13所产生的是基于刀具的刀齿惯性交叉部分基础上的当量直径。虽然以前的研究结果表明在试验的对比中没有文字记录，在预测模型中用一个当量直径的光束和实验测量有很好的一致性，可以用有限元的解决方案和近似常数横截面的解决方案来解决刀具的刀齿部分，这两种方法对我们来说差异不明显。另一方面，也很必要根据刀具的刀齿部分的实际动态结构来分析，以获得更精确的结果。在这项研究中，一个由PRO/E工程软件的实际的刀具的刀齿部分三维模型已经创建，采用有限元法来计算其动态。采用当量直径束逼近刀具的刀齿部分来和以前作出比较。TIMOSHENKO梁模型确定刀柄和刀杆部分的响应耦合。冲击试验和逆响应耦合结构分析法需要在这些响应耦合中再加上机床主轴的动态分析。最后，进行了三组动力学实验来验证不同的刀具悬伸长度所产生的情况。2机床主轴刀柄刀具的响应耦合结构分析法21偶和的过程和响应耦合结构分析本节中的，基于对以往的文献47对响应耦合结构分析法的简要回顾。由两个装配的硬性连接部件组成。如图所示1（A），相似耦合，或频率响应函数，GIJ，可以表示为（1）,JIJIIJIJIJMXFPLNHG其中H，L，N，和P是指空间的相似耦合矩阵，XI和I装配位移和旋转度一致，FJ和MJ一致对应于坐标的力和力矩。I对应于J，坐标响应耦合被称为直接耦合，否则是间接耦合。子耦合RIJ，如图1（B），定义式（2）黄河科技学院毕业设计文献翻译第3页（2）,JIJIIJIJMXFPLNHR其中，XI和I分别对应于位移和旋转度，FJ和MJ中的I和J分别对应于坐标的作用力和时刻。图1刚性连接的两个组成部分根据图中所确定的坐标。1，相似直接耦合，GAA和GDD，间接耦合，GAA和GDD可以表示为一个函数的的子耦合，如下所示（3）,1BACBAARRG（4）,1CDBDCD（5）,1CDBAD（6）,1BACBDCARG22相似耦合的描述标准铣床，主轴部分可以被描绘成图2，由三个组成部分主轴机，刀架和系统。在这三部分中，动态响应主轴机是最难建模的，由于其复杂的结构和未知的阻尼力。因此，在冲击试验中通常测量其动力。该系统包括刀具的刀齿部分和刀具的直刀杆部分，刀柄的横截面是一个不变离散性间隔常数，因此，刀柄和刀杆部分可以很方便的用模型欧拉伯努利或TIMOSHENKO梁来建模。刀具的刀齿耦合部分可以用有限元方法来计算。在这项工作中，装配图可以分黄河科技学院毕业设计文献翻译第4页解成主轴机，刀架和刀柄三部分最后，刀具的刀齿部分如图3获得耦合装配和获得的响应耦合结构方法可应用于预测类似动力学。图2机床主轴刀柄刀具图3耦合响应模型和机床主轴刀柄刀具3响应部件计算31机床刀具的刀齿部分图4描述了该机床刀具的刀齿部分的运行方向和负荷，用来计算相关数据。其中外径DO和长度LF分别为1905毫米和493毫米，右侧AB是该工具的自由端和左侧CD的刀具的刀齿部分的终端和刀柄的始端。压力F1和压力F2分别应用在A和C的位置，转速M1和转速M2分别作用在两个侧面。在不同的负载条件下可以在B和D的位置可以计算其挠度黄河科技学院毕业设计文献翻译第5页图4在不同的负载下刀具的刀齿部分得有限元模型有限元软件ANSYSWORKBENCH110可以用于计算。该模型是四面体网状8228固体元素（187固体）。从对网格大小的查结果发现，即使使用更细网格对其结果影响不大。刀具材料（硬质合金）的属性分别为杨氏模量E550GPA时，泊松比022，密度15000KG/M3的，阻尼比000075。F1,F2,M1,和M2分别为设置1N（或N1米）和运用在AB和CD自由边界条件的表面。直接响应和间接响应RIJI,J1,2分别在表1中，其定义在21表1刀具的刀齿部分的直接响应和间接响应图5显示的是刀具的刀齿部分的预测响应H11在200赫兹到2000赫兹的频率范围内的部分。黄河科技学院毕业设计文献翻译第6页图5H11刀具的刀齿部分的响应从图5可以看出在此范围内没有发生共振。这是因为刀具的刀齿部分太小，其开始自然频率远远高于2000赫兹，在测量频率带宽以外。32刀具的刀齿部分的等效直径光束如前所述，有限元法被运用于计算刀具的刀齿部分，但是这可能是一种费时的细网状模型。作为一个替代方法，等效直径的刀具的刀齿部分也可用运用于近似实际刀齿几何1213。在这项研究中，等效直径是在以同等质量M的原则的基础上进行运用的。在这种情况下，等量直径DEQ可以被计算（7）,4202FEQILDLMLO和LI是悬锤和插入长度的刀柄如图6所示。因此，计算1475毫米是选定的刀具的长度（柄部直径1905毫米）。可以模拟为当量直径均匀的光束的TIMOSHENKO梁，这比EULERBERNOULLI梁模型更准确，因为前者包括转动惯量和剪切效应。通过使用适当的质量（M）和刚度矩阵15有限元法14对每个自由旋转和两端的位移以及自由梁来建模。通过对元素M和K矩阵进行整理形成整体的质量和刚性的矩阵。应用GUYAN黄河科技学院毕业设计文献翻译第7页消元法14，在运动方程的值域中可以得到N个元素。它可以也可以做为固体结构来建模，并利用ANSYS类似的去解决工作台110，的刀具的刀齿部分。在这里，RIJI,J3,4被定义为的响应光束。图6刀杆和刀柄的结构和尺寸表2列出了两种型号下得三中弯曲形状的固有频率差异与等效直径的光束模型的实际刀具的刀齿部分模型。这种方法的最大的错误率是107，这只是看到的第一种模式。从这个表中，可以看出，FEMANDTIMOSHENKO的解决一个恒定截面EDB模型光束的方案的差异非常小。表2两个不同模型赫兹的自然频率比较33部件的刀柄和支架装配刀柄和刀杆都是轴对称结构并且也可以建模为多段的结构的TIMOSHENKO梁。图6显示了二维刀杆和刀柄的结构和尺寸。考虑到不同的刀具悬长度，三个维度，刀柄悬长度LS，刀具的插入长度LI，刀柄LI，在3中提供了黄河科技学院毕业设计文献翻译第8页刀柄的空白长度。TIMOSHENKO梁模型结构分为五个部分（，和V）如图6，每节用25个部分来表示。刀柄的材料特性是E200GPA，029，7850KG/M3的，000075。自由刀具柄和刀杆分别为R55和R66，交叉耦合R56和R65在它们的两端，决定了使用TIMOSHENKO梁模型。表3三个不同的刀柄长度的悬长度图7显示了三个不同的频率范围从200赫兹到2000赫兹耦合H55刀柄的悬长度表3描述了三种不同的情况下差别，很类似于刀具的刀齿，在此范围内没有共振发生观察噪声响应在600赫兹以下的很少。黄河科技学院毕业设计文献翻译第9页图7预测刀柄和刀杆H55的响应4机床主轴响应耦合组件41机床主轴响应从刀杆和刀柄的对比来看，很难对机床主轴进行建模。机床主轴动力学建模，需要知道它的结构设计，轴承的刚度值和阻尼水平的详细信息，然后往往由有限元法来完成。然而，这方面的知识，对于一般的最终用户是不可能知道黄河科技学院毕业设计文献翻译第10页的。因此，通过冲击试验被运用在响应耦合结构分析方法来确定所需要的响应。首先，用一个简单的标准圆柱几何工件插入主轴来记录冲击试验的直接和间接的耦合测试结果。第二，在模拟过程中超出标准衡器法兰（逆RCSA）的部分与机床主轴响应相互隔离。为MIKRONUCP600VARIO铣床配备一个STEPTEC的20KR/分钟，16千瓦的墨盒式主轴。一个标准的法兰夹住在主轴（HSK63A接口）。低加速度计用来记录一个PCB086B03冲击锤振动响应的影响。一个MLIMETALMAX60的数据采集系统被用于数据的收集。42响应耦合的组成部分使用耦合响应部件对两个模型进行了评估1）实际的刀具的刀齿（R11和R22）机床刀柄刀具的响应耦合（R55和R66）然后是机床主轴的响应，当量直径的光束（R33和R44型），机床刀柄刀具（R55和R66）的响应，然后机床主轴的响应（R77），这些可以简化成EDB模型。对于三种不同的刀具悬伸长度例进行评估相关的组装这些和H相似的响应在图8中被展现出来，可以看出，两个模型的预测的精度是可以接受的。结果列于表4黄河科技学院毕业设计文献翻译第11页图8相关装配（机床主轴刀柄刀具）响应黄河科技学院毕业设计文献翻译第12页5结论对于机床主轴刀柄刀具组装动力学的预测完全依靠响应耦合结构
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