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摘要 大型轧辊磨床结构动态设计 研究生：臧会玲导师：蒋书运教授 摘要 轧辊磨床属于大型精密加工机床，是金属板、带、箔材加工企业的关键设备。近年来， 随着工业领域技术需求不断增长，轧辊磨床正向着大型化、高精度和自动化方向发展，其动 态特性成为影响机床加工精度的关键因素。利用动态设计方法以提高机床的动态性能已成为 机床设计领域的重要而有效手段，目前机床结构动态设计方面已经取得重要进展，但是在大 型数控轧辊磨床的动态特性分析与结构设计方面，国内外尚未见文献报导。 本文主要研究工作： 1 基于p r o e 和a n s y s 软件，建立m k z 8 4 1 2 5 数控轧辊磨床整机的c a d 模型和有 限元分析c a e 模型。 2 分别对轧辊磨床整机及机床主要部件进行动态特性分析，得到机床的固有频率及其 主振型、谐波响应特性。研究结果表明：砂轮架是整机结构中的薄弱环节。 3 对砂轮架进行动态特性分析，提出带2 x 筋板和带3 x 筋板的两种砂轮架结构，选 定筋板厚度为设计参数，以砂轮架的固有频率作为结构动态特性指标，开展砂轮架 筋板厚度对其固有频率的灵敏度分析。研究表明：带2 x 筋板的砂轮架具有更好的 动态特性。其前三阶固有频率值分别比原砂轮架提高了3 0 0 1 ，1 3 9 1 ，8 9 9 。 4 完成了优选设计的轧辊磨床整机动力学特性分析。分析表明：改进后整机的前四阶 固有频率比原机床均有所提高，较原整机的振动量有较大幅度的降低，有效地提高 了轧辊磨床的动态特性。 5 探讨了砂轮架内部x 型、米字型筋板布局对其动态特性的影响。 关键词：轧辊磨床，动态特性，有限元，动态设计 a b s t r a c t s t r u c t u r a ld y n a m i c d e s i g nf o rb i g r o l l g r i n d e r b y z a n g h u i - l i n gs u p e r v i s e db yp r o f j i a n gs h u - - y u n a b s t r a c t r o l lg r i n d e r , w h i c hi sa l a r g ep r e c i s em a c h i n et o o l ，i st h ek e yd e v i c ei nt h o s ee n t e r p r i s e s m a n u f a c t u r i n gm e t a lp l a t e ，s t r i po rf o i l w h ht h eg r o w i n gn e e d so fi n d u s t r i a lt e c h n i q u e s ，h i 曲 s p e e d ，h i 曲p r e c i s i o na n da u t o m a t i z a t i o nh a sb e c o m et h et e n d e n c yf o rr o l lg r i n d e r ，a n dd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so f t h em a c h i n et o o lh a sb e e nac r u c i a li n d e xt ot h em a n u f a c t u r i n gp r e c i s i o n d y n a m i cd e s i g nm e t h o di sa ni m p o r t a n ta n de f f e c t i v em e a n st oe l e v a t et h ed y n a m i cp e r f o r m a n c e o fm a c h i n et 0 0 1 i nr e c e n ty e a r s ，k e yp r o g r e s sh a sb e e na c q u i r e di nt h es t r u c t u r a ld y n a m i cd e s i g n o fm a c h i n et o o l ；h o w e v e r ，f e ww o r k sh a v eb e e nr e p o r t e do nt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i s a n ds t r u c t u r a ld e s i g no fl a r g er o l lg r i n d e r t h em a i nw o r ko f t h ep a p e ri sl i s t e da sf o l l o w s ： 1 c a da n dc a em o d e l so ft h em k z 8 41 2 5r o l lg r i n d e rw e r ee s t a b l i s h e du t i l i z i n gp r o e a n da n s y s 。 2 n a t u r a lf r e q u e n c i e s ，m a i nm o d es h a p e sa n dh a r m o n i cr e s p o n s ep r o p e r t i e so ft h ew h o l e m a c h i n et o o la n do ft h ek e ye l e m e n t sw e r eo b t a i n e dt h r o u g hd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c a n a l y s i s r e s u l t si n d i c a t et h a tt h eg r i n d i n gc a r r i a g ei st h ef r a i lp a r t w h i c hh a ss i g n i f i c a n t i m p a c to nt h em a c h i n et o o ld y n a m i cp e r f o r m a n c e 3 b a s e do nt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i so ft h eg r i n d i n gc a r r i a g e ，t w ok i n d so f m o d i f i e ds t r u c t u r e ，2 xa n d3 x ，w e r ep r o p o s e d s e n s i t i v i t ya n a l y s i sb e t w e e nr i bt h i k n e s s a n dn a t u r a lf r e q u e n c yw e r ec a r r i e do u t ，i nw h i c ht h er i bt h i c k n e s si sad e s i g np a r a m e t e r , w h i l et h en a t u r a lf r e q u e n c yi st h ei n d e xo fs t r u c t u r a ld y n a m i cp r o p e r t i e s r e s u l t s i n d i c a t et h a tt h es t r u c t u r eo f2 xs h o w st h eb e t t e rd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c st h a n3 x t h e p r e v i o u st h r e en a t u r a lf r e q u e n c i e so ft h eg r i n d i n gc a r r i a g ea r ee l e v a t e db y2 3 0p e r c e n t , 2 3 2p e r c e n ta n d7 8p e r c e n tr e s p e c t i v e l y 4 t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ew h o l em a c h i n ec o n t a i n i n gt h en e wg r i n d i n gc a r r i a g e w e r ea n a l y z e d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ta l lo ft h ep r e v i o u sf o u rn a t u r a lf r e q u e n c i e s o ft h em o d i f i e dg r i n d e ra r eg r e a t l yi n c r e a s e d ，a n dt h ev i b r a t i o na m p l i t u d eo fn e wg r i n d e r i sd e c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y t h ed y n a m i cb e h a v i o ro ft h ew h o l em a c h i n ei si m p r o v e d e f f e c t i v e l y 5 t h ee f f e c to fd i f f e r e n t t y p e so fr i b s t r u c t u r ei n c l u d i n gx ，a n dm io nt h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so f t h em a c h i n et o o lw a sd i s c u s s e d k e y w o r d s ：r o l lg r i n d e r , d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，f e m ，d y n a m i cd e s i g n i i 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：逊日期：型幽 学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 一虢牲新躲i ，秘过期： 第一章绪论 1 1 论文研究背景 第一章绪论 随着现代加工条件需求的变化和科学技术的不断发展，数控机床愈来愈向高速、高精 度、高刚度和自动化的方向发展，因此对数控机床的设计技术提出了更高的要求。整个数 控机床结构是一个十分复杂的结构系统，整机的动态特性是各个关键大件的动态特性及其 各个大件之间结合面动力学参数综合作用的结果【l 】。机床是一个弹性系统，在一定条件下， 例如受到交变的激振力( 即动态力) 的作用，将产生振动。当机床工作时产生的振幅超出 了允许的范围时，将导致加工表面光洁度的恶化，加速刀具的磨损，影响加工精度，降低 生产效率。因此机床的动态特性已成为一个十分重要的研究课题。 传统的数控机床设计过程是一个结合经验设计的，经过多次反复的过程。因此设计出 的机床不仅性能差，结构笨重，精度不高，自动化水平低，而且设计周期长，制造成本高， 更新换代慢，而这些问题使得国内机床在高档机床领域无法和国外机床相抗衡1 2 。 当前，有限元软件计算规模的增大和计算机计算速度的加快，利用有限元分析进行动 态设计，去除了样机试制环节，能在较短的时间内完成数控机床结构的动态优化设计，缩 短了设计周期，降低了设计成本，提高了数控机床的动态特性1 3 j 。现代机床设计正朝着设 计对象系统化、设计内容完善化、设计目标最优化、设计问题模型化、设计过程动态化和 设计手段计算机化的方向发展【4 j 。 轧辊磨床属于大型精密加工机床，是金属板、带、箔材加工企业的关键设备。高质量 的金属板、带、箔的生产，在很大程度上依赖于高质量的轧辊，而轧辊的质景是由精密轧 辊磨床保证的。近年来，随着冶金、造纸、印染行业的迅速发展，对轧辊磨削技术的要求 亦愈来愈高1 5 j 。因此，提高轧辊磨床的磨削精度就成为金属板类加工企业提升产品质量、 提高生产率、降低成本的关键。 为了使今后在使用轧辊磨床磨削轧辊时能在较短的时间内达到切实提高轧辊磨削质 量的目的，为金属板类加工企业赢得更大的市场竞争力、取得更好的经济效益，采用动态 优化设计方法来解决磨削中产生的振动问题，已成为现代机床设计思想的重要内容。 本论文以m k z 8 4 1 2 5 数控轧辊磨床为研究对象，针对某机床厂的m k z 8 4 1 2 5 数控轧 辊磨床存在的缺陷，并结合当今世界轧辊磨床的先进技术，在现有磨床的基础上，采用先 进的结构动态分析和设计方法对磨床进行分析、改进，通过对不合理的部分机械机构重新 设计、制造；对保留部分进行修改，从而提高磨床的加t 精度和生产效本，是我们需要解 决的主要问题。项目的最终目的是基于现代机床设计方法，开发出高磨削精度、高表面质 量和高生产率的轧辊磨床，使其加工精度、加工表面质量、自身重量等各项指标和综合技 术水平达到较高的水平。 1 2 机床结构动态设计方法的研究现状 1 2 1 机床结构动态分析研究现状 机床是机械制造工业中最基本的设备。随着国民经济的发展，人们对机床提出了越来 东南大学硕士学位论文 越高的要求，其中最基本的问题就是要提高机床的工作性能，而机床的工作性能是与其动 态性能紧密相关的。随着现代设计方法的广泛运用，对机床进行动态特性分析，用动态设 计取代静态设计已成为现代机床设计发展的必然趋势。复杂的机械结构系统的动态设计， 目前常用的方法是采用人一机交互的方式，对结构系统进行建模和特性分析，根据设计者 的要求进行结构的动力学修改，然后在计算机上进行再分析，多次反复，直到所设计的结 构动态性能满足要求【6 j 。 当前，利用有限元方法进行机床结构动态设计的基本思路是【7 叫： 1 ) 建立机床主要零部件c a d 三维实体造型，并进行合理简化，建立机床部件及整机的结 构有限元模型。 2 ) 研究机床结合面问题，并进行模态试验，根据测试结果修正理论模型。 3 ) 建立合理的整机有限元模型，并进行模态分析和谐响应分析以确定同有频率和主振型。 4 ) 根据结构分析结果，确定薄弱部件的敏感振型，指导机床整机及部件的优化设计，并利 用一些先进的机械设计方法实现机床结构的优化。 5 ) 利用主动或被动阻尼控制装置实现在某些激励力下机床结构的减振设计，达到机床加工 精度的目的。 6 ) 绘制优化后的机床整机和部件结构设计图，并定型生产。 当前，上述几点中仍有很多理论以及应用问题需要研究和解决。 2 0 世纪6 0 年代后期，随着计算机技术的发展，有限元方法开始逐步应用于工程实践。 有限元方法作为一种数值计算方法，它具有很多突出的优点，并在此基础上出现了大量的 c a e 软件( 如美国a n s y s 公司研制的大型通用有限元分析软件；m s c 的m s c n a s t r a n 和m s c p a t r a n 等) ，从而实现了计算机技术和有限元理论的结合，大大提高了机床结构设 计的效率和质星。当前，采用有限元方法，建立机床结构的静、动力学模型己经成为机床 理论建模普遍采用的方法 1 0 - l l 】。 目前国内在机床结构优化领域的研究比较活跃，机床结构优化设计的内容十分丰富， 涉及内容很多，包括静力学，结构非线性分析，拓扑优化，动力学分析等。目前有限元方 法在机床结构设计中的应用主要有以下几个方面： ( 1 ) 静力学分析。在各种结构分析中，静力分析是最简单的形式，它计算在固定不变的 荷载作用下结构的响应( 如反力、位移、应变、应力等) 。 ( 2 ) 模态分析。用于确定结构或机械部件的振动特性，即结构的固有频率和振型，它们 是承受动态载荷结构设计中的重要参数，也是更详尽的动力分析( 如谐响应分析、瞬态动 力学分析等) 的基础。 ( 3 ) 谐响应分析和瞬态动力学分析。这两类分析也属于动力学分析，用于研究机床对周 期载荷和非周期载荷的动态响应。 ( 4 ) 热应力分析。用丁二研究结构内部温度的分布，以及机床内部的热应力。 ( 5 ) 接触分析。用于分析两个结构件接触时的接触面状态和法向力。 当前，机床结构优化设计主要是应用在刚度和强度分析方面。根据固有频率公式 o ) o ，= 尼，m ，( 其中珊o ，是系统第2 阶固有频率，t ，m 。分别为对应的模态刚度和模态 质量) ，( d o 大，说明单位质量的刚度大，可作为结构动态设计的一个优化目标。由于考虑 工艺及模具制造等方面的因素，一般通过调节筋板的布置形式来改善结构的动力学特性。 最终选出最佳的部件优化方案。单件优化的目标是：改进型部件与原型部件相比，其前几 阶固有频率提高，既刚度提高。在这方面，国内学者做了很多工作并取得了大量的成果。 在众多国内文献中，在磨床方面，武汉理工大学的杨光，杜计划以一种高速磨床砂轮 2 第一章绪论 架为研究对象，建立了砂轮架动力学模型，运用a n s y s 软件对砂轮架进行模态分析，根 据分析结果找出缺陷，改进砂轮架的结构【l 到。东南大学和无锡机床股份有限公司对内圆磨 床m 2 1 2 0 a 床身结构进行有限元分析l ”j ，得到床身前几阶的固有频率和振型，分析床身的 内部筋板布置对结构动态特性的影响。张敬分析了主轴动态特性和主轴对整机的动态特性 影响，并利用最优化设计方法对工件托板体进行了结构优化设计，有效减轻了托板体的重 量，使磨床的各部件质量分布更加合理，同时探讨了不同垫铁布置方式对机床工作性能的 影响【1 4 】。昆明理工大学杜奕利用实验模态技术，对m s y 7 1 1 5 平面磨床整机结构的动态特 性进行了模态分析，并建立了立柱和整机的有限元模型，并且进行了动态特性优化改进设 计【l5 1 。在车床方面，东北大学和沈阳机床股份有限公司对某高速数控车床主轴结构进行有 限元分析【1 6 1 ，并通过试验分析结果与有限元分析结果的对比验证了有限元建模的正确性； 在加工中心方面，天津大学张宪栋、徐燕申等人借助大型有限元分析软件a n s y s ，以龙 门式加工中心为例，对其进行有限元静动态分析，得出了各阶振型图和应变分布云图。通 过分析结果数据，能很清楚地了解原结构设计中存在的问题及结构薄弱环节，并在此基础 上对机床的结构进行改进【1 7 】。东南大学的许敏、蒋书运等人则提出用吉村允孝法对实际结 合面的动态特性进行研究，并利用弹簧阻尼单元对单位面积结合面进行动态建模，综合运 用有限元方法和实验进行单位面积结合面的动态特性参数的识别。同时利用试验识别的刚 度、阻尼参数分析了一款无心磨床的磨架的动态特性，并对比考虑结合面影响与不考虑结 合面的两种分析结果，研究了结合面对机械结构动态特性的影响【l 引。 徐燕申、刘晓平、彭泽民掣1 9 】 2 0 】提出了应用模糊理论来实现机械结构的优化设计和动 力学模型修正，而陈新、张学削2 1 】 2 2 】等应用b p 神经网络进行结构的动力学修正和优化设 计，这些方法对于机床结构件的动态优化设计都具有很好的指导意义。汤文成、易红 2 3 1 1 2 4 j 忙5 j 对机床结构的动、静态特性进行分析和优化设计，通过分析和研究得出改变结构的筋板 类型和布局提高结构动、静态特性，并且提出了以导轨变形量作为结构设计的主要依据， 各设计变量对机床动、静态性能贡献加权作为结构优化设计的目标函数，同时在结构的参 数化设计等方面进行了有益的尝试。记国伟 6 1 分析了m k l11 5 0 无心外圆磨床，建立了无心 外圆磨床的有限元模型，并分析了床身筋板结构对床身动态特性的影响。由分析可知，采 用合适的筋板类型能有效提高床身的动态性能。文章进一步分析了磨床整机的动态特性， 考虑整机的低阶模态振型和加工过程中的受力状态，对其薄弱部件进行了结构优化。有限 元分析结果表明，优化后磨床的动态特性有了明显改善。 近年来，国外的机床结构优化设计领域的研究比较多，在结构优化、有限元分析、参 数化设计方面都有不少研究。m z a t a r a i n ，e l e i a r d i 等人通过对某动柱式铣床和某龙门式铣 床整机进行模态分析，比较了模块化建模与经典有限元分析结果【2 6 j 。k a i s e r s l a u t e r n 大学 g w a r n e c k e 等人基于有限元思想对硬脆材料用砂轮进行了静动态分析，对砂轮进行最优化 设计，并且用实验结果验证了有限元方法的正确性【27 1 。但是在轧辊磨床方面，国内外尚无 研究先例。美国机械工程师学会的“o p t i m a ls y n t h e s i so fc o m p l i a n tm e c h a n i s mu s i n g s u b d i v i s i o na n dc o m m e r c i a lf e a ! 删j ，一文中，利用有限元软件分析机械结构，提出全程参 数化设计，并对其进行拓扑优化，全面分析了设计变量在优化程序中的变数。爱荷华州立 大学的j m v a n c e 与i s u 研究中心的t e y e h 等学者虑用虚拟现实技术来进行机床结构的 形状优化设计【2 9 l ；c a t h o l i c 大学g b i a n c h i 等人将机床的动态设计与控制理论相结合，有 效的提高了机床的动态性能和自动化水平p u l ；m i c h i g a n 大学的t j i a n g 和m c h i r e d a s t 在 应用有限元法和动态分析的基础上，提出了一种数学模型来模拟机床结构的联接形式，建 立整机的模型并对机床结合面的联接件( 如焊点、螺栓等) 的位置和数量进行拓扑优化设 计1 3 。厂矿企业方面，美国g i d d i n g s & l e w i s 公司在其r a m 高速加工中心的设计上，将立 柱和底座合为整体，由孕育铸铁制成，使整机刚性得以提高。同时，美国f o r d 、g m 等著 3 东南大学硕士学位论文 名汽车制造公司利用拓扑优化的设计思想，对汽车简单薄壁结构进行优化设计，并在此基 础上进行人工的动力学修正，既保证了结构具有优良的动态性能，又节省了大量的制造成 本。 1 2 2 轧辊磨床研究现状 近年来，国内外机床结构动态优化设计的研究已经取得许多的进展，但是针对某一款 特定机床的结构优化设计，还会有很多特定的问题需要研究解决。 目前国内研究轧辊磨床的文献众多，研究内容主要集中在加工表面质量缺陷方面、数 控轧辊磨床机械设备的安装、调试方面、以及轧辊磨床故障诊断等等。轧辊磨床加工的支 持辊所产生的表面质量缺陷是许多领导和工程技术人员以及磨床操作者共同面临和普遍关 注的重要问题。在轧辊磨削缺陷及其控制方面，李军【3 2 】通过对某轧辊磨床产生振动的分析， 找出了解决消除振纹的一些内在因素。从提高支持辊安装定位精度到砂轮、磨削参数的选 择，通过一系列的调整改进，基本上可以消除支持辊磨削后表面产生的质量缺陷。但由于 磨削加工是一个工艺性很强的技术，影响支持辊加工精度也是一个综合性的问题，所以必 须全面地考虑，拿出切实可行的措施和对策，在生产中不断总结和完善，才能保证磨削出 轧机所需要的优质轧辊。针对轧辊在磨削过程中产生的表面缺陷，主要是点状或线状振纹。 毛彬，周国荣p 3 j 等人从磨削机理分析得出，这种振纹主要由于磨床系统存在一种或多种强 迫振动源，将一定频率的振动传递给砂轮，在磨削工件表面上产生与振源频率相同的振纹。 因此必须设法找到引起异常振动的根源，并采取对策消除。简述了振动信号分析的理论与 方法，采用基于小波变换的信号分析方法对磨床振动信号进行分析，能同时兼顾高频与低 频段的频谱特性，提高特征频率的提取精确度，进而提高系统故障诊断的可靠性。 在国外，不少学者研究了轧辊磨床的振动问题，例如h a r d w i c k 研究了轧辊磨床的振动 对带钢表面振纹的影响1 3 4 】；r o b e r t s 研究了机床振动与振纹之间的关系【3 5 1 ；g e r a dl 研究了 预防和消除某些振动的方法【3 6 1 ，由此也可以看出加工表面质量问题是世界范围内普遍存在 的。 在其他方面，无锡机床厂研究了磨头主轴系统的结构方案布置【3 7 】；上海机床厂的蒋伟 春【3 s 】研究了液压技术在大型数控轧辊磨床上的应用，主要研究了砂轮主轴静压系统、砂轮 架闭式静压导轨、软着陆机构等等，随着数控轧辊磨床需求的越来越大，相信液压技术在 此类机床上的应用也会越来越广泛，技术也会越来越成熟。东北轻合金责任公司的张淑云、 刘晓辉【3 9 】研究了轧辊磨床参数的选择对于轧辊磨削质量的重要性，就砂轮、磨削冷却液和 几个相对运动速度的匹配等工艺问题进行阐述，并根据工作经验提出最佳的对策。k i n g 推 导了一种磨削力的计算公式并且用实例进行计算1 4 0 | 。对于大型数控轧辊磨床进给机构方 面，上海机床厂和上海理工大学的朱洁瑾和张金型4 l 】通过计算机辅助设计软件p r o e ，对 用于大型数控轧辊磨床纵向进给机构中的滚珠丝杆进行受力分析和模拟，得到丝杆的挠度 值。通过m e c h a n i c a l 模块里的预应力解析功能得到一系列轴向拉力和挠度的对应关系，从 而进行优化找到最合适的拉力。 以上研究均是针对轧辊磨床这一特定的机床进行的，而对轧辊磨床这一特定机床的结构 动态分析与优化设计，目前尚未有报道涉及。 1 3 论文研究内容 本文以m k z 8 4 1 2 5 轧辊磨床为研究对象，基于现代机床设计方法，系统地开展机床动 4 第一章绪论 态设计，并提出有效措施使其动态特性、自身重量等各项指标和综合技术水平达到较高的 水平。主要研究内容包括： 基于三维实体造型软件p r o e 和有限元分析软件a n s y s ，建立了m k z 8 4 1 2 5 轧辊 磨床各部件及整机c a d c a e 模型。 在对结合面进行简化的基础上，对整机和各个零部件模型进行了有限元动力学分 析，找出磨床的薄弱环节，确定磨床动态优化设计的基本思路，为磨床的结构改进 提供依据。根据磨床的工况特点，由最易被激发的主振型，来寻找动态性能相对薄 弱的部件。 针对轧辊磨床动态性能相对薄弱的部件砂轮架进行改进。把改进后的部件装配成 新整机，对其进行动态特性分析，并与原整机的动态性能作对比。优化后的磨床整 机具有更高的固有频率，在低频段的振动显著减小，轧辊磨床的动态特性较原来有 了很大的提高。 探讨x 型与米字型筋板结构对砂轮架动态特性的影响。 5 ) ) ) ) “ q o 末南大学硕i 学位论文 2 1 概述 第二章m k z 8 4 12 5 轧辊磨床动态分析 借助三维建模软什p r o 肥，根据轧辊磨床的图纸、资料等建立起辂机结构动力学模型t 通过有限元软件a n s y s 对整机进行模态分析及谐响应分析，则无需依赖丁已有的磨床设 备，即可获得该磨床各种模拟的动力学特性，这也是目前机床行业结构动态分析的最主要 方法。在机床行业，它特别适合于计算机床基础件( 如床身、框架等) 和土轴部什等的静、 动态特性。 本章以m k z 8 4 1 2 5 轧辊磨床为研究对象，探讨了自动数控轧辊磨床存在的主要问题。 详细分析了磨床整机动态特性，找出磨床的薄弱环节：井叙述了磨床主要部件的c a d c a e 建模与分析过程，为以后该磨床的优化设计提供了依据。为下一章优化1 二作指明了方向。 具体工作分述如r 。 2 2 轧辊磨床建模 人型轧辊磨床主要由头架、尾架、砂轮架、托板、床身、砂轮、工什等组成。用三维 建模软件对这些部件建立实体模型，并装配得到整机模型。本论文借助三维造型软件p r 吨 建立轧辊磨床的c a d 模型，如图2 - 1 所示。数控轧辊磨床有两个床身：托扳床身平【| j = 件床 身，采用分离式结构。 轧辊磨床是一个复杂的机械系统对整机进行有限元分析的基础是建立各部件及整机 的三维c a d 模型，通过a n s y s 软件将c a d 模型转化为有限元模型，转化时要对c a d 模型做一些简化，省略一些微小的特征。冈为这些小特征对系统的动态特性影响不人，但 在有f h 元网格划分时会有很大的影响，会大大增加单元数i f l 和阿格的不规则性。 对丁磨床这类复杂的机械结构来讲，建立一个能够准确反映结构动态特性的有限元模型 是彳硅困难的，主耍是雕以准确描述结合面模型的特征。国内外学者一般采用弹簧阻尼单元来 模拟结台面的动力学特性”1 ，但这种模型的精度较低，而且其刚应和阻尼系数也不容易识别。 鉴于实验条件的欠缺，本文对结合面问题进行了简化，对所有部件结合面采用了刚性连接”。 由于所有模型采用相同的简化，可认为模型结构优化前后的动态特性是可比的。 托扳砂轮砂轮架床身 阔2 一l m k z 8 4 1 2 5 轧辊磨床的c a d 模型 第二章m k z 8 4 1 2 5 # 辊磨床动志h 析 基丁a n s y s 分析软什在建立磨床再部什有f 元模型和简化结台面的基础上，得到 了此轧辊磨床的档机有限元模犁。为简化计算建模时省去局部特征如例角( 恻) 、凸台、 螺钉孔、油孔和水孔，划分网格时单元属性定义为s o l i d 4 5 。人型轧辊磨床各部件材料多 为灰铸铁h t 2 5 0 ，驭弹性模量b = 1 5 5 g p a ，泊松比= 02 7 ，密度p = 73 4 9 m m 3 。采用自由 分网方法。默认精度为6 级。划分后节点总数为1 1 0 0 2 7 单元总数为3 6 3 8 4 0 ，阿格生成见 图2 - 2 。 j i 蘑囊匪 图2 - 2 m k z 8 4 1 2 5 轧辊磨床的c a e 模型 2 3 磨床整机动力学分析 m k z 8 4 1 2 5 自动数控轧辊磨床存在的土要问题是：磨削时，上件表面出现了螺旋形振 纹，磨削精度不足。 螺旋形振纹产生的原因： ( ” 砂轮修梧晕太少。至使砂轮母线修整不平，磨削时砂轮与l 什部分接触形成螺旋形 条纹。 ( 2 ) 砂轮修饕时冷却液分布不均匀或没有冷却液，使修整州金刚刀在修整过程中膨胀小 一致，造成砂轮母线不直，引起工什表面的螺旋形缺陷。 ( 3 ) 砂轮轴承间隙过人，睹削时砂轮轴线与工作轴线不平行，砂轮与上件单边接触，使 工件表面产生螺旋形条纹。 ( 4 ) 砂轮架横向导轨由于鼯损不均匀而扭曲，砂轮修整协置和砂轮工作位置不同而使砂 轮与上件表面单边接触。 此下i m 对原整机模型进行动力学分析吼r 解原机床的动态性能，杠此基础上得剑 胤结构设计上的薄弱环 ，为以后的优化设计指明方_ 。 2 3 1 磨床整机模态分析 模志分析用于确定设计机构或机器部什的振动特性，即结构的同仃频率年n 振型，它们 是承受动态载荷结构设计- j 的重要参数。同时，电可以作为其他动力学分析问题的起点， 例如瞬志动力学分析、惜响应分忻和谱分析。其中模态分析也是进 j 谱分析或模态叠) j 口法 谱响应分析或瞬态动力学分析所必需的前期分析过程。 怍削在机床上的激励力频率一艘都不高因而只有最低几阶校态的同有频率才有可能 东南大学硕学位论立 与激振频率重台或接近；高阶模态的固有频率已远高丁可能出现的澈振力的频率，一般不 可能发生拱振对于加工质晕的影响不大。所以只需研究机床的低阶模态。 对整机进行模态分析，床身底面施加全约束，在a n s y s 中利用b l o c kl a n e z o s 去提取 模态得到前四阶频率和振型，如图2 - 3 、2 - 4 、2 - 5 、2 - 6 所示： 图2 - 3m k z 8 4 1 2 5 轧辊磨床整机第阶振型( 6 46 6 h z ) 蠢 舅= 国 遵蝤 蚓24 m k z 8 4 】2 5 轧辊磨床整机爿；二阶振型( 1 15 3 i h z ) 第二章m k z , m 1 2 5 轧辊磨床动志分析 三烹_ 慧_ 忘赢篇嗍。 幽2 - 5 m k z 8 4 1 2 5 轧辊磨床帮机第二阶振型( 1 1 9 4 8 h z 幽2 - 6m k z 8 4 1 2 5 轧辊磨床整机第四阶振型( 1 3 2 3 6 h z ) 由振础可咀看山：磨床一阶振型主要表现为1 件、头架、尾架沿x 轴振动：二阶振型 主要表现为砂轮架绕y 轴扭转，变形主要在砂轮架中部；三阶振型主要表现为头架局部振 动；四阶振型主要表现为砂轮架沿x 轴弯曲振动，变形主要在砂轮架中部。 2 3 2 磨床整机谐响应分析 模态分析可得到辖机备阶振型和固有频率，但这仅表示机床并部位的相刘振动情况， 而外力激励f 各阶振型对格机振动作川大小是不同的，因此对整机进行谐响应分析就能更 清楚的看山存动忐干扰馓励下机床结构的抗振性能。 采州模态综台法计算整机谐响麻，在砂轮和工件接触面的某节点y 、z 方向施加一对 方向相反单位力，频率范围i h z - 1 5 0 h z 计算两个施力点的相对振动位移，可得到谐响应 曲线，蚓 7 所示为该频段筒谐力檄励下砂轮架和j ：件的相对振动幅值响应这是衡量机 床动态性能的重要指标。 东南大学硕士学位论文 5 4 z 售3 j 粤 罂2 臀 转 1 0 x l 旷 i jf 2 002 04 0 6 0 8 0 1 0 01 2 0 1 4 01 6 0 频率h z 图2 7 磨床整机谐响应曲线 结合模态分析，由响应曲线可以看出，在整机的第二阶和第四阶固有频率处出现两个 比较大的峰值，可见这两阶振型对磨床的实际振动影响较大。第二阶和第四阶约束模态固 有频率和振型如图2 - 4 ，2 6 所示： 分析结果可以看出第2 阶模态主要是砂轮架绕y 轴扭转，变形主要在砂轮架中部，该振 型的固有频率为1 1 5 31 h z 。 第4 阶模态主要是砂轮架沿x 轴弯曲振动，变形主要在砂轮架中部，该振型的固有频率 为13 2 3 5 6 h z 。 因此确定整机动态特性的薄弱环节是砂轮架。 在机床机构修改设计中如何加强薄弱部件是提高磨床加工质量的关键。 砂轮架优化方案的重点在于加强其中间部分的刚度。由于砂轮架基本功能的要求，其夕 形尺寸基本上是确定的，而缩小出砂孔、合理布置筋板以及进行筋板厚度对砂轮架固有频率 的灵敏度分析是调节砂轮架动力学特征的较好着眼点。针对以上分析，可采取如下措施： ( 1 ) 根据实际工况缩小前壁和上顶面的出砂孔大小，可以有效地提高该砂轮架结构的 刚度。 ( 2 ) 针对砂轮架原来井字形筋板，在其基础上，本文提出在实际工况允许部位加x 型小筋板的筋板设计形式，x 型筋板布局有很强的抗扭性能，同时也具备一定的抗弯刚度。 继而进行砂轮架筋板厚度对其固有频率的灵敏度分析。 ( 3 ) 本文提出筋极厚度对整机固有频率的灵敏度分析方法。优选一款砂轮架筋板结构 布局形式，进行筋板厚度对整机固有频率的灵敏度分析。 ( 4 ) 在保证砂轮架内部装配以及丁作空间的前提下，探讨内部x 型、米字型筋板布 局形式，让砂轮架结构更为合理。 2 4 磨床主要部件动力学建模与分析 在m k z 8 4 1 2 5 轧辊磨床系统中，包括床身、托板、砂轮架、头架、尾架、砂轮、工件 等部件。下面介绍几个主要部件的建模与分析。 1 0 第= 章m k z 8 4 1 2 5 轧辊磨床动态分析 2 4 1 砂轮架床身建模与分析 首先用p 腑软件建立砂轮架床身三维c a d 模型( 如图2 - 8 所示) 陶2 - 8 砂轮架床身c a d 模型 在砂轮架床身c a d 模型的基础上转化为有限元模型，并采崩s o l i d 4 5 实体单元建模。 在建立砂轮架床身有限元模酗的基础上对其进行模志分析，取材料弹性棋量e = i5 5 1 矿m p 泊松比为0 2 7 ，密度为7 3 4 x1 0 - g t m m 3 。得到砂轮架床身的同有频率特性如表 1 所示， 表2 - i 砂轮架床身前三阶固有频率厦振帮 ( a ) 一阶扭转振型( 2 22 8 h z )( b ) 二阶弯曲振型( 4 48 6 h z ) 。厕r _ r ，埽= - r 蔷攀謦_ 专三_ 。 ( c ) 三阶弯曲振犁( 5 88 2 h z ) 东南大学顶士学位论文 图2 - 9 砂轮架床身前三阶振型图 对砂轮架床身有限元模型进行模态分析，可得床身前三阶振型图如图2 - 9 砂轮架床 身第一阶为2 2 工8 h z 的弯曲振型，第二阶为4 48 6 h z 的扭转振型，第三阶为5 8 8 2 h z 的弯 曲振型。值得注意的是，第一、二、三阶振形图是在a n s y s 后处理中放大后得到的，分别 放火了9 4 2 倍、7 6 8 倍和9 3 5 倍。由此可见，砂轮架床身真正的变形量j 常小，在实际工 作时不易发生大幅振动现象。 2 4 2 工件床身建模与分析 首先用p r o e 软件建立工件床身三维c a d 模型( 如图2 一1 0 所示) ：| ：k _ _ 醯函i 茜；主苫蚤薹 闰2 - 1 0 工件床身c a d 模型 在工件床身c a d 模型的基础上转化为有限元模型，并采用s o l i d 4 5 实体单元建模。在 建立_ l = 件床身有限元模型的基础上对其进行模态分析，取材料弹性模量e - i5 5 1 0 5 m p a , 泊秘比为0 2 7 ，密度为7 3 4 x l o - 9 t m m 3 。得到工件床身的固有频率特性如表2 _ 2 所示。 表2 - 2 工件床身前三阶固有频率及振型 _ 芑，篇篇，烹曩i i 篇，烹芑= ! 篇= ，篇= 荸焉焉：_ = 一一l 一 ( a ) 一阶弯曲振型( 2 70 3 h z )( b ) 。阶扭转振型( 5 34 2 h z ) 一蚤l| 引一 匿 第二章m k z $ 4 1 2 5 轧辊辫床动态分析 l 要! 三! ! ： ( c ) 三阶弯曲振型( 6 11 9 h z ) 图2 - 1 1 工件床身前三阶振型图 工件床身前三阶模志振型如幽3 - 1 1 所示。对工件床身有限元模型进行模态分析可得， 上件床身第一阶为2 7 0 3 h z 的弯曲振型第二阶为5 34 2 h z 的扭转振型，第一阶为6 11 9 h z 的弯曲振型。值得注意的是，第一、二、三阶振形图是在a n s y s 后处理中放大后得到的， 分别放大了7 5 6 倍、6 4 0 倍和7 6 2 倍。由此可见，1 二什床身真正的变形量非常小在实际 工作时不易发生火幅振动现象。 2 4 3 托板建模与分析 托板是轧辊磨床的重耍的部什之一，用于支撑砂轮架并做出进给运动。其c a d 模型如 图2 1 2 所示； 蚓2 - 1 2 托板c a d 模型 在托板c a d 模型的基础上转化为有限元模型，井采j js o l i d 4 5 实体单元建模。在建立 托板有限兀模型的基础上对其进行模志分析，取村料弹性模量e = i5 5 x1 0 5 m p a , 泊松比为 0 2 7 ，密度为73 4 1 0 4 1 协m 。得到托板的固有频率特性如表3 - 3 所示，前= 三阶的横态振 型如图3 1 3 所示。 表2 - 3 托板前三阶固有频率及振型 东南大学硕士学位论文 霹一 釜。篁 ( a ) 一阶弯曲振型( 9 67 5 h z ) ( b ) 二阶= | ! 【转振型( 1 0 2 i s h z ) r r = 作频率，而且 计就是设计新产 详细说明。 图2 1 4 砂轮架c a d 模型 在砂轮架c a d 模型( 如图2 1 4 所示) 的基础上转化为有限元模型，而。采用s o l i d 4 5 实体单元建模。在建立砂轮架有限元模型的基础上对其进行模态分析，墩材料弹性模量 e - 15 5 x1 0 5 ，4 泊松比为0 2 7 密度为7 3 4 x1 0 9 t m m 3 。得到砂轮架的固有频率特性如 一篁 第= 章i v i k z 8 4 1 2 5 轧辊磨床动态分析 表2 4 所示，前三阶的模志振型如图2 - 1 5 所示。 表2 4 砂轮架前三阶厨有频率及振型 r 叁 ( a ) 一阶扭转振型( 2 5 2 a i h z )( b ) 二阶弯曲振型( 3 1 2 9 6 h z ) 篾 ( c ) 三阶弯曲振型( 3 5 6 7 4 h z ) 图2 - 1 5 砂轮架前三阶振型图 由表纠和图2 - 1 5 可以看出，砂轮架第一阶振型表现为扭转，第二阶振型表现为弯曲， 第王阶振型也表现为弯曲。从振型中看山，砂轮架中部比较薄弱采用x 型筋板的结构 比采用井字型筋板的结构具有更高的抗扭能力，砂轮架改进的重点，将在后一章节详细给 出。 东南大学碰t 学位论文 2 4 5 头架底座建模与分析 图2 1 6 头架底座c a d 模型 在头架底座c a d 模型( 如幽2 - 1 4 所示) 的基础上转化为有限元模型，并采用s o l i d 4 5 实体单元建模。在建立头架底座有限元模型的基础上对其进行模态分析，取材料弹性模量 e = i5 5 x 1 旷m 阻泊橙比为0 2 7 密度为7 3 4 1 0 。9 t k m 一。得到头架底座的固有频率特性 如表2 - 5 所示，前三阶的模态振型如图2 一1