（机械制造及其自动化专业论文）高速内圆磨床热态与动态特性研究.pdf

高速内圆磨床热态与动态特性研究 研究生：胡金祥导师：蒋书运 摘要 机床性能的好坏直接影响着制造业的水平，提高机床的加工性能对于制造业有很大的帮 助。本文应用有限元分析软件从动刚度和热刚度两方面对m k 2 1 1 0 高速高精度内圆磨床进行 了动态和热态的分析以及优化，提高了磨床的动态特性，揭示了磨床工作时各部分热源对其 热态性能的影响。 在动态特性分析中论文以整机谐响应为评价指标，分析了磨床整机和部件的动态特性， 计算数据表明原床身存在刚度不足的缺陷，采用有限元法对磨床床身进行了优化，通过优化 前后整机模态参数以及谐响应数值的对比，肯定了优化的效果，提高了磨床的动态特性，并 验证了经验分析中不同的筋板布局对床身有不同作用的结论。通过上述研究，显著提高了原 磨床的动态特性。 在热特性分析中论文考虑了影响磨床热特性的主要热源，并在确定边界条件的基础上分 析了各热源单独作用时对磨床热特性的影响。论文首次提出将切削液作为热源，分析了切削 液作为“二次熟源”带来的影响，指出了一般文献中忽略切削液作为熟源的模型偏差。为得 到更准确的模型，修正建模时因轴承简化带来的刚度偏差，论文利用等效法通过对轴承材料 参数的优化来模拟其刚度特性。在上述分析基础上利用有限元提供的耦合模块计算磨床的热 变形，指出了因为热变形引起的磨削精度的偏差，得出各热源单一作用时在其中所做的贡献。 除了揭示磨床温度场以及变形场外，研究同时表明；切削液作为“二次热源”对磨床的热特 性会产生较大的影响，在分析时不应该忽略。 关键词：内圆磨床，动态特性，熟态特性，切削液，热一结构耦合，轴承刚度 东南大学硕士学位论文 s t u d y o nt h e r m a la n d d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i co f h i g h - s p e e di n t e r n a l c y l i n d r i c a lg r i n d e r h uj i n - x i a n g j i a n gs h u - y u n a b s t r a c t 1 1 1 cc h a r a c t e r i s t i c o f t h e r o a c h i n e t o o l d i r e c t l y i n f l u e n c e s t h e i n d n s t r y o f m a n u f a c t u r i n g ，a n d i t i sh e l p f u lt 0i m p r o v ei t sc h a r a c t e r i s t i cf o rt h em a n u f a c t u r i n g b a s e do nt h em o d e lo fi n t e r n a l c y i i n d r i c a l 洲e lm k 2 11 0 ，t h i sp a p e rm a i n l yf o c u s e so nt h ed y n a m i ca n dt h e r m a la n a l y s i sa b o u t t h eg r i n d e rf r o mt w oa s p e c t sw i t ht h ep u r p o s et oi m p r o v e ri t s g r i n d i n gc h a r a c t e r i s t i c s ；a l s o l l n c o v e ft h ei 掣t o f e v e r yp a r t , w h i c hc a ng e n e r a t eh e a t ，t ot h em a c h i n et 0 0 1 t a k et h eh a r m o n yr e s p o n s ea sc r i t e r i ai nd y n a m i ca n a l y s i s ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fe v e r y o n ec o m p o n e n ta n dt h ew h o l em a c h i n e ；p o i n to u tt h er e a s o n sf o r t h e w e a k n e s so f t h eg - n d e r u s i n ga n s y s s o m eo p t i m i z a t i o n sa r ca p p l i e d0 1 1t h el a t h eb e db e c a u s e o f i t si m p o r t a n c ej i lt h ew h o l em a c h i n e t h ep a r a m e t e r so f t h em o d ea n dh a r m o n yr e s p o n s ea b o u t t h eo p t i m i z e dg r i n d e rs h o wt h er e s u l ti sp o s i t i v e ，a l s ov a l i d a t et h ee f f e c to fd i f f e r e n tc o n t r i b u t i o n s o fd i f f e r e n tr i b si n e x p e r i e n t i a ld e s i g n a c c o r d i n g t ot h e a n a l y s i sa b o v e ，t h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c si m p r o v e sg r e a f l y a sr e f e r st ot h et h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c s f o l l o w i n gt h ec o n f i r m a t i o no ft h e b o u n d a r y c o n d i t i o n s ，t h i sp a p e rm a i n l ya n a l y z e st h ei m p a c to fd i f f e r e n tb e a tf f s o u r c a ei n c l u d i n gh e a d s t o o k , e l e c t r i c a ls p i n d l ea n dc o o l a n t f o rt h ef i r s tt i m e ，t h i sp a p e re s t a b l i s h e dt h ec a em o d e lc o n s i d e r i n g t h ei m p a c to ft h ec o o l a n t , p o i n to u tt h ei m p r e c i s i o no ft h et h e r m a lm o d e i sn e g l e c t i n gt h ec o o l a n t f o r m e r l y i no r d e rt og e tam o r cp r e c i s em o d e l , r e f i n et h el o o s ea b o u tt h es t i f f n e s so ft h eb e a r i n g b e c a u s eo ft h es i m p l i f i c a t i o n , a l le q u i v a l e n tm e t h o du s e df o rs i m u l a t i n gt h eb e a r i n gs t i f f n e s sb y t h em a t e r i a lp r o p e r t yi sp r o p o s e dt om o d i 母t h em o d e l b a s e do nt h ea n a l y s i sa b o v e ，a e q u a t i o n a b o u tt h eg r i n d i n gp r e c i s i o nb e c a u s eo ft h et h e r m a ld e f o r m a t i o ni sp r e s e n t e d b e s i d e st h ef i g u r e a b o u tt h ed i s t r i b u t i o no ft h et e m p e r a t u r ef i e l d , t h er e s e a r c ha l s oi n d i c a t e st h a tc o o l a n tp l a y sa l l i m p o r t a n tp a r ti nt h et h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c sa s “s e c o n dh e a t u c a n di tc a n n o tb en e g l e c t e di n t h e r i n a ia n a l y s i s k e y w o r d s ：i n t e r n a lc y l i n d r i c a lg r i n d e r = , d y n a i cb e h a v i o r , t h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c s ；c o o l a n t ； t h e r m o - m e c h a n i e a l ；b 啦s t i f f n e s s 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：日期：鲨z ：! ：! 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 研究生签名： 导师签名弛导师签名c | 胎 御上3 第一章绪论 1 1 论文背景 第一章绪论 机床作为机械工业的基础产品以及加工载体，其本身的特性对于零件加工性能有很大的 影响，决定着机械基础行业的发展。磨床是机床系列中的一种重要类型，主要用来进行孔或 者平面磨削加工，它也是机床中惟一采用磨具代替金属刀具切削加工机件的设备。随着磨床 向高速高精度的方向发展，其本身性能已经急需改进才能满足日益不断提高的要求。 磨床动态性能( 振动、噪声、稳定性等) 是其最重要的性能指标。对于磨床系统，其整 机动态特性的优劣直接影响磨床加工精度的好坏。动态特性是系统的一般表现形式，采用动 态优化设计能从根本上解决磨床产品的动态性能问题。动态优化设计可以将提高机械系统动 态性能的问题解决在方案及图案设计阶段。 一般高精密的磨床不但要考虑静力学、动力学问题，还牵涉到热力学问题。这就是通常 所说的“三大刚度”：静刚度、动刚度和热刚度。尤其对于现代磨削机床，随着机床的转速 和零件表面要求的不断提高，切削深度与走刀量一般都比较小，切削力不大，所以“机床一 夹具一刀具一工件”这个系统的热变形对加工精度的作用越来越大。据阿亨大学hb r a u n i n g 分析：现代机床加工工件的制造误差中，由热变形引起的误差比例高达5 0 ：英国伯明翰 大学j p e c k e n i k 的调查表明：精密加工中由热变形引起的加工制造误差所占的比例为4 0 7 0 【i 】：这些足以说明工艺系统热变形对加工精度影响的严重性，如何减少工艺系统各环节 的热变形成为提高机械加工精度的重要问题，因此对磨床动态以及热态热变形的不断深入研 究是十分有必要的。 本文研究了m k 2 1 1 0 型内圆磨床，主要用于加工工件的台阶孔，锥孔。孔径加工范围： 1 0 1 0 0 m m ，最大加工孔深1 2 5 r a m 。工件最大行程4 5 0 r a m 。其三维结构图如图1 1 所示。 图i - 1m k 2 1 1 0 内圆磨床三维示意图 东南大学硕士学位论文 m k 2 1 1 0 内圆磨床在现场工作时，磨削的工件尺寸会出现系统性变值误差，分析其原因 主要是因为工艺系统的热变形随加工时间的规律性变化。本论文研究的内容是围绕磨床动态 特性和热态特性进行的。最终目标是针对国内外机床行业的发展方向，基于现代机床设计方 法，采用先进的机械c a d c a e 技术，优化重要组件，分析部件及整机的温度场和热变形场， 为研制新一代高速高精度数控内圆磨床做好理论分析与研究 1 2 机床动态分析现状 机械结构动态优化设计是六十年代迅速发展起来的一种设计方法。优化方式在结构设计 中的应用改变了过去凭借经验或者直观判断来确定结构方案。或者在满足要求前提下，先确 定结构方案再根据安全寿命准则对方案进行强度、刚度分析、校核、修改，而后确定结构尺 寸的方法，而是借助电子计算机，应用一些精确度较高的力学和数学分析方法进行分析计算， 并从大量的可行设计方案中寻找出一种最优的设计方案。 随着电子计算机的迅速发展，出现了许多基于屯子计算机的动态设计方法。有限元便是 其中比较流行也是比较重要的一种，它是5 0 年代中期根据变分原理发展起来的一种采用电 子计算机求解数学物理问题的近似数值解法。在机械结构的动力分析中，利用弹性力学有限 元建立起结构的动力学模型，进而可以计算处结构的固有频率、振型等模态参数以及动力响 应( 包括动态位移和动应力) 。在此基础上还可以根据不同需要对机械结构进行动态设计。 由于有限元法具有精度高、适应性强以及计算格式统一等有点，所以发展很快。已成为现代 机械产品设计中的一种重要工具。 目前有限元分析机床动态特性的基本方法是1 2 1 ： ( 1 ) 建立能反映实际情况的有限元模型。通常采用三维造型软件，对所做的模型进行造型， 依靠有限元软件与造型软件的接口，并进行适当的简化处理，将c a d 的模型导入到有限元 工作环境下，建立c a e 模型。有些有限元软件提供强大的建模功能，也可以在有限元软件 中直接建立模型。 ( 2 ) 现场实验确立结合面参数。对于模型中各零部件之间的连接，利用各种实验来进行参 数识别，建立完善的模型。 ( 3 ) 利用有限元自身的功能，计算零部件以及整机的动态特性参数。 ( 4 ) 以动态特性参数为指标，指导结构修改以及优化。 ( 5 ) 利用主动或被动阻尼控制装置实现在某些激励下机床结构的减振设计，达到提高机床 加工精度的目的。 ( 6 ) 确定零部件优化结构后，利用c a d 技术转化成平面结构图，指导定型生产。 当然在以上的过程中，尚有很多理论以及应用问题需要研究和解决，某些问题到现在还 没有获得广泛认同的处理方法p o 在以上分析过程中存在着一下两方面的研究热点： ( 1 ) 结合面处理 由于零部件之间存在着结合面，结合面即能存储能量又能消耗能量，影响着机床的静、 动态特性。结合面的弹性和阻尼。尤其是阻尼往往比结构本身的弹性和阻尼还要大韩国 k w a n g - j u 理工大学机械工程学院的s u n - m i nk i m ，j a e h o o nh a ，s u n g h oj e o n g ，s u n k y el e e 等人分析了一个轮轴系统，通过改变结合面的螺栓预紧力、结合面锥度以及结合面面积等因 素系统分析了以上参数对结构动力学特性的影响，将结合面用一组弹簧来代替，其他结构用 集中质量法建模，以低阶模态特性为指标定量给出了它们之间的关系”j 。国内张学良、黄玉 美、王世军等人从实验和理论模型方面都作了很多研究，建立了一系列实验模型，用来研究 各类机床结合面的法向动态特性，通过实验数据定量的分析结合面的刚度、阻尼系数随着预 2 第一章绪论 载荷以及结合面结合情况( 干表面、油表面) 的关系，除依赖实验数据外他们还运用分形接 触理论获得了机械结合面法向接触刚度的模型。并在结合面动态基础特性参数的影响因素以 及固定结合面的阻尼耗能机理方面进行了一定特色的研究”“。东南大学机械工程学院的许 敏、蒋书运通过实验确定了通常机床结合面的一些特性，并利用实验识别的刚度、阻尼参数 分析了一款无心磨床的磨架动态特性，比较了不考虑结合面特性与考虑结合面特性之间的差 距，以现场实验结果为标准，比较了不考虑结合面引起的误差”j 。 ( 2 ) 优化指标 目前比较流行的看法是从整机的固有频率以及谐响应结果来评价。汤文成，易红等人通 过对具体磨床的建模，在如何优化磨床性能方面做了很多工作。使用渐进结构优化算法对床 身结构进行基于基频约束和刚度约束的拓扑优化，为e s o 方法在机床大件结构拓扑优化中 的应用做了有益的尝试；在有限元分析中从理论和操作方面比较了动力学分析中的模态叠加 法中叠加方法。还利用a n s y s 对教学型x k 7 1 3 铣床主轴箱的应力分布和变形以及固有频 率等模态参数进行了分析，为结构改进、动力修改提供了理论依据，讨论了机床的地脚螺钉 对机床刚度的影响呻1 4 1 。纪国伟通过对m i l l 5 0 无心磨床的建模以及动态分析，利用有限元 软件从整机结构上分析了该磨床刚性不足的部件，通过对床身的合理优化提高了磨床的整体 性能。 在对机床不断研究的过程出现了很多新方法以及新概念。比如天津大学先进陶瓷与加工 技术教育部重点实验室的徐燕申等人将元结构的概念引入到机床分析中，利用对元结构的分 析来指导机床大型部件的优化设计。以龙门式加工中心的滑枕为例总结了f e m 静动态设计 的原理和一般步骤。在这些工作基础上，他们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n s - n 9 。波兰皇家工学院机床与产品工程系的f r a n c i s z c ko r y n s k i ，w i t o l d p a w l o w s l c i 从理论方面来推导了切削系统的动力学特性。文章给出了水静压轴承的主轴模型， 在此模型上定量研究了强迫振动对磨削切削性能的影响口”。陈新、毛海军等应用b p 神经网 络的方法进行结构的动力学修正和优化设计【2 1 - ”) 。这些新方法新概念对于机床结构件的动态 优化设计都具有很好的指导意义。 1 3 机床热态分析现状与存在问题 1 3 1 研究现状 人们对机床熟变形影响加工幸毒度的问题发现得较晚。1 9 3 3 年瑞士对坐标镗床热变形进 行了测量和研究。发现了坐标镗床热变形影响定位精度。而其它机床，如车、刨、铣、磨等 机床的热变形研究还要晚一些。直到5 0 年代，精密零件在机床上进行精密加工时，其尺寸 精度的控制往往还要依靠工人边测量、边调整、边加工。因为那时人们对机床热变形的规律 还不甚了解和注意。6 0 年代中期以前，日、美、苏、联邦德国等国家对机床热变形的实验 研究还仅局限于各类机床实验阶段，并局限于定性分析。随着宇航技术及微电子技术的发展 和机械加工日益精密化、自动化、高效化，机床热变形对加工精度的影响逐渐引起了注意 6 0 年代以后电子计算机的应用、有限元法计算技术的推广、新测试手段的出现，使热变形 的研究开始进入了定量分析阶段“”。 机床在工作中由于受不均匀温度场的作用，其各部件发生不同程度的热变形，使得刀具 夹具工艺系统产生相对偏移，最终影响加工零件的精度。热源影响加工精度的过程可以从 图l - 2 中看出来： 3 东南大学硕士学位论文 规蜷工作象 牛 内邦热鞭 旦 热龌 翻 规珠环境 外部热繇 l 构竹热特性 导热率挖热镣) 机j 采的熬形状：i 构形状 热8 lf 嘲l 表i l l l j 边莽的热扩散( 转热轰 热惯嫩【一l 敖) l 接触厕热隰 l 抽影响( 热容量、激璧镶) 滋度分靠f 砖 规冻豹儿何形状：l 热变形( 线膨雕系数， 苗阶博点力 ，j i 构竹形状b 物理性质 蹦度【j ( 】i 机昧点承状态 各掰衄韵位移 # 瓤库的( c 翟机掏学蔬缝上f 每糖发存笑的蹲点同椴对位移) 加j ：精度f 降 图l - 2 机床热变形机理 目前对机床热特性的研究主要集中在两个方面：一是从宏观角度来分析部件或者整机的 温度场以及引起的位移场；二是从微观角度来分析传热机理，特别是固定、移动结合面之间 的传热方式和传热模型。其中研究比较成熟的主要是第二个方面，众多研究人员提出了不同 的分析模型。而对于整机的分析由于涉及到的零部件较多，目前还没有比较规范统一的计算 准则。这些热特性的研究主要集中在美国、德国、日本和中国等制造业比较发达的国家。 ( 1 ) 宏观研究机床整机及部件热特性 典型的分析方法是在传热学的基础上，通过对整机边界条件的确定，施加合理的热源来 分析整机的温度场以及位移场的情况。p oh a n g 科技学院的j o n g - j i nk i m , y o u n gh u nj e o n g 等 人就是利用这种分析过程对一装有直线马达的机床设备进行了热分析，揭示了马达对机床热 特性的影响；浙江工业大学的王金生应用有限元软件a n s y s 对x k 7 1 7 型的数控铣床进行 了分析，并得出了冷却水的流量和预紧力对主轴轴承温升的影响规律；北京工业大学利用 a n s y s 对z k 7 6 4 0 型数控铣床进行了整机定量分析，并通过实验验证了其正确性。合肥工 业大学在简化滚齿机理论模型的基础上通过数值方法给出了影响加工精度的因素，提出从硬 件或者软件上改善机床的观点。东南大学的郭策同样利用a n s y s 分析了一内圆磨床的熟变 形。分析过程比较类似。在实验方面有长春工业大学、洛阳车床研究所、中原工学院等一系 列院校和科研单位通过长期的实验观察提出了机床热变形对加工精度的影响，比如提出了一 天的温差对机床导轨的热影响，小孔磨削时磨削热对磨削精度的影响“”j 。 对于部件的研究主要集中于对电主轴以及床头箱的热分析。电主轴由于其结构的独特 性。其热量聚集比较严重，大量文献研究了电主轴内部的温度场以及变形场分布。如广东工 业大学，在自发研制的电主轴结构基础上，以二维平面单元对其进行了热分析，并对两种不 同的电主轴结构进行了比较，对油气润滑系统进行了定量分析。河南机电高等专科学校在分 析了损耗发热和轴承的摩擦发热的基础上提出了减小其损耗和改进其冷却情况的措施，为电 主轴的熟稳定性的解决奠定了理论基础。沈阳建筑大学对电主轴油气润滑系统展开了分析， 对其工作原理和优越性进行了描述一般机床的工件主轴也是一个比较大的发热源，对主轴 4 第一章绪论 箱体进行热分析以及热结构优化设计具有很大意义。北方车辆研究所对某车辆传动箱的温度 分布采用了有限元方法进行分析并对变速箱局部机构粘性剪切的发热机理和热源热流分配 进行了探讨。东南大学的郭策利用a n s y s 对某高速搞精度数控车床主轴系统进行了热特性 理论建模和分析，以主轴端部的径向跳动和轴向跳动为评价指标，优化了轴向箱体。东北大 学也对机床主轴部件和主轴箱进行了热特性分析，在理论分析的基础上预测了机床部件的热 平衡时间，计算出主轴部件和主轴箱的热变形”1 州。 ( 2 )微观研究接触面传熟机理 准确的模型有利于更好的分析问题。通常在分析对于结合面考虑的不多，然而结合面对 于热传递有很大的影响，其在整个热传递通路中有很大的阻值。对结合面接触热阻的研究， 国外从六十年代就开始并提出了短圆柱模型、圆盘接触模型、圆锥体模型、圆环形模型等。 但是一直都没有建立起对所有结合面情况都适用的接触热阻模型，也没有比较可信的实验测 量方法。九十年代初，随着分形理论的发展，美国的am a j u m d a r 和bb h u s h a n 等人用分形 理论建立了粗糙表面的接触模型”。由此，许多人用这个模型开始对接触热阻进行研究。a m a j u m d a r 和clt i e l l l 3 6 1 建立了接触热阻的分形网络模型，并与以往研究者建立的接触热阻 模型进行了对比，显示出了较好的准确性。美国的b e m d b o s s m a n n s 和j a y e t u 等人运用有 限差分法，建立了一个高速电主轴的发热、热传递、表面换热的模型，并与莱型电主轴上的 测量结果进行了对比p ”。c h i w e il i n 、j a yft u 和j o ek a m m a n 等建立了高速主轴的热一 结构耦合动力模型，考虑热膨胀时对轴承预紧力、轴承刚度的影响，并给出了与实验结果的 对比以及灵敏度分析结果p 9 1 。东南大学的许敏、蒋书运利用基于m _ b 模型的分形理论提出 了接触摸型，并将其引用到一无心磨床的热分析中，取得了很好的效果j 。 1 3 2 存在问题 尽管以往的分析模型已经比较全面，主要集中在部件以及接触部分的计算模拟，但对于 整机的热分析文献不多，并且在整机分析中存在着以下方面的问题： ( 1 ) 忽略了切削液的热源效应。 在现有的机床整机分析文献中，没有考虑切削液的热源效应，都忽略了切削液的热效应， 边界条件处理不完善。由于切削液是循环利用的，不断的从磨削区带走热量，经过地面的冷 却再返回到磨削区，长时间磨削工况下，其地面的冷却效果不明显，使得切削液本身的温度 不断升高。针对m k 2 1 1 0 内圆磨床实际工作情况，据经验一个工作日( 8 小时) 不问断工作 下，磨削液的温升达到接近1 0 c ，这个温升是比较高的。而且切削液流经的是床身的中部， 其对床身以及砂轮修整器的热效应比较明显，由于切削液带来的热变形在磨床整机分析中不 应该放忽略。 ( 2 ) 轴承的简化误差 由于在进行有限元分析时候必须对模型进行简化，忽略细小的局部特征，然而对于轴承 这样的部件来说忽略其局部特征容易带来模型的偏差，比如忽略滚珠、保持架等部件会使轴 承的刚度特性在模型中不能反映出来，而轴承的刚度特性对于热变形有很大的影响。为了使 模型更为精确，本文考虑了因为轴承简化带来的误差，利用等效法通过轴承的材科属性来模 拟其刚度特性 1 4 论文研究内容 本文运用c a d c a e 软件围绕m k 2 1 1 0 内圆磨床着重研究了以下四个方面的内容： 5 东南大学硕士学位论文 机床的动态特性。在分析各零部件以及整机动态特性的基础上，通过对床身的优化， 达到提高整机整体动态性能的目的，并分析了不同筋板对床身结构动态特性的影响。 着重考虑了井字型和x 型筋板对床身低阶模态的影响，从整机谐响应数值肯定了x 型筋板的抗扭性能。 机床的热态特性。结合实际情况考虑了床头箱、电主轴、切削液三者各自的热效应 以及对整机产生的热影响。具体的讨论了床头箱热变形以及改善其热态性能的方案， 分析了电主轴内部的热温度场热变形的情况。 首次考虑了切削液作为“二次热源”对机床的热效应。在分别讨论各热源的热影响 之后，通过对三者共同作用时带来的热变形的分析，比较了单一热源作用时的热变 形对整机热特性的影响。 在热位移分析中，采用等效法考虑了轴承刚度的特性，通过对轴承材料属性的优化 模拟了其轴向以及径向刚度，使计算模型更为准确。 6 m 第二章内圆磨床动力学特性分析 第二章内圆磨床动力学特性分析 有限元法( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，简称f e m ) 是一种比较成熟的建模分析方法。随着计 算机技术的发展，利用有限元法进行大型复杂结构的运算成为可能“”。本文借助有限元分 析软件a n s y s 完成了对m k 2 1 1 0 内圆磨床的动力学特性分析。m k 2 1 1 0 内圆磨床主要包括 床身、桥板、滑板、床头箱、工作台，底座、磨头等部件。本章叙述了磨床主要部件的c a d c a e 建模与分析过程，并对床身展开详细分析，通过对床身的优化来提高了磨床的动态特性。 2 1 内圆磨床主要零部件建模与动态分析 磨床整机的动态性能与磨床的加工精度有着密切关系，因此，建立并分析磨床整机动力 学模型是实现其动态优化，提高磨床加工精度的基础。对于像磨床这样复杂的结构系统，建 立一个能完全反映其动态特性的整机模型是比较困难的，主要表现在磨床各结合部分的结合 面参数的不确定性。在现有条件下根据经验对结合面进行一部分的简化是很有必要的。 由于本文磨床结构比较复杂。在a n s y s 中建立三维模型是极其困难的，故本文采用另 一种有限元模型的建立方法一将三维造型软件中生成的c a d 模型导入有限元软件中变成有 限元模型”卅 2 1 1 磨床系统的三维c a d 造型 三维c a d 模型只是几何模型，要对它进行模拟仿真计算必须要先将其转换为c a e 数字 模型。本文采用p r o e 作为三维造型软件，完整安装之后p r o e 会有与a n s y s 的传输接口，模 型信息可以直接传递到a n s y 工作环境下。生成c a e 文件。p r o e n g i n e e r 软件造型功能强大， 有两个基本特点：第一，参数化设计和特征功能。即采用参数化设计的、基于特征的实体模 型化系统。工程设计人员采用具有智能特性的、基于特征的功能来生成模型，如腔、壳、倒 角、圆角，可以随意勾画草图，任意改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上 从未有过的简易和灵活。第二。单一数据库。即建立在统一基层上的数据库上，不像一些传 统的c a d c a m 系统建立在多个数据库上。虽然建立模型之后可以直接传递至i j a n s y s 中，但 在传递过程中因为受到a n s y s 本身处理机制以及传输的限制，复杂的c a d 模型有时候难以 顺利转换。因此在建模型时有必要对某些结构部分细节进行简化。其简化的基本原则是m 】： ( 1 ) 在进行三维c a d j l i 型时，要力求精确，避免实体内部相交，否则在生成c a e 实体 模型时，有可能产生各种意想不到的错误。 ( 2 ) 忽略c a d 模型中的所有小特征，包括倒角、圆角、尺寸很小的孔和凸台等，如筋 板交错处的圆角、导角，螺钉孔等。 ( 3 ) 对模型中的小锥度、小曲率曲面进行直线化和平面化处理。 m k 2 1 1 0 内圆磨床主要由磨头系统，床头箱系统以及床身等几部分组成。其中磨头部分 就是电主轴以及其支撑部分，包括磨头座、底座。床头箱系统包括箱体、床头桥板、工件主 轴以及内部的轴承和轴承衬套等，通常床头箱部分也称为工件主轴部分，因为此主轴末端夹 持工件旋转，出于习惯下文中出现的工件主轴也就是此处的床头箱。床身是整个磨床的大件 部分，是承载其他零部件的载体和基础，其本身的特性对整台磨床的性能有很大影响，其上 表面有导轨与滑板连接，实现磨头轴向的运动。在p r o e 环境下建立的模型如图2 - 1 所示； 7 东南大学硕士学位论文 图2 - 1i 肥1 1 0 内圆磨床三维c a d 示意图 2 1 2 内圆磨床整机的刚度分析 对结构的有限元模型进行模态分析，可以得到振动系统的固有频率和振型。机床结构是 个连续体，质量和弹性都是连续分布的，所以应具有无穷多个自由度，也就是无穷多阶模态。 但只有最低几阶模态的固有频率才有可能与激振频率重合或接近；高阶模态的固有频率已远 高于可能出现的激振力的频率，一般不可能发生共振，对于加工质量的影响不大。所以只需 研究机床的低阶模态。目前大多数动态优化设计都是以结构的固有频率或刚度的大小来判断 动态性能的优劣。因此本文在刚度分析方面也采用固有频率这一指标作为衡量标准，以固有 频率的提高作为优化的目的，同时兼顾到整机谐响应的幅值。 在理论基础上对原机床整机的有限元模型进行模态分析，得系统前四阶固有频率和振 型，当然此处所指的前四阶是对应于结果中七、八、九以及第十阶。因为在计算模态时对零 件或者整机作无约束处理时，零件或者整机的前六阶的固有频率均为零，零件或者整机处于 整体刚性状态。因此此处以及后文中的无约束模态结论均是指从第七阶开始计及的。利用 a n s y s 动力学分析模块计算得到前四阶。 由于计算的是整机的整体固有频率，因此没有考虑砂轮修整器的影响，因为局部的细节 对于整机的总体特性影响不大。并且排除了考虑修整器部分带来的局部复杂模态，而这些局 部模态对于整机模态特征影响不大 8 第二章内圆磨床动力学特性分析 第一阶振型( 1 6 7 0 3 h z )第二阶振型( 1 7 7 8 1 h z ) 第三阶振型( 2 7 7 6 5 h z )第四阶振型( 2 8 6 5 4 h z ) 图2 - 2m k 2 1 1 0 磨床整机模态响应 图2 - 2 便是前四阶的振型图。由图中可以看出：磨床第一阶振型为1 6 7 0 3 h z ，主要表 现为床身扭转；第二阶振型为1 7 7 8 1 h z ，主要表现在床身以及主轴箱和桥扳滑板的弯曲； 第三阶振型为2 7 7 6 5 h z ，主要表现磨头部分的局部扭转变形；第四阶振型为2 8 6 5 4 h z ，主 要表现为磨头部分局部复杂变形。 以上分析的是无约束条件下磨床本身的模态特性，模态分析可得到整机各阶振型和固有 频率，但这仅表示机床各部位的相对振动情况，而外力激励下各阶振型对整机振动作用大小 是不同的，在外力作用下整机表现出来的是所有模态的复杂叠加而不是单纯的某阶模态。因 此对整机进行谐响应分析就能更清楚的看出在动态干扰激励下机床结构的抗振性能。 谐响应分析时，在床身底部加固定约束，同时在原整机有限元模型中工件主轴端部和砂 轮端部上施加大小相等，方向相反的外力，其大小随时间正弦变化，以主轴和砂轮轴相对的 振动幅值作为响应。考虑到磨床的正常工作转速以及整机的低阶频率，分析了0 - 3 0 0 h z 频率 下磨床的响应。图2 - 3 所示为该频段简谐力激励下主轴和砂轮轴相对振动幅值响应，这是衡 量机床动态性能的重要指标。 由于在谐响应分析时对床身底面加了约束，因此整机的各阶固有频率有所提高。但是结 合前面的模态分析，由响应曲线可以看出，在整机的第一阶和第三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。结合模态分析的结果，可以知道 主要是磨床的抗扭性能不足导致的。一阶出现的是从磨头到床身的扭转模态，三阶是磨头部 分出现的扭转模态。另外在磨床磨削时其激振力通常是促使磨头和工件主轴相互的挤压而远 离，产生的结果容易诱发出磨床的扭态。因此在优化设计中如何加强薄弱部件，也就是如何 提高磨床的抗扭性能是提高磨床加工质量的关键。 9 东南大学硕士学位论文 是2 ” 占2 0 0 e - o o g 暑1 目e 撕 甚” 点 1 0 01 2 01 4 01 1 8 02 0 02 2 0 2 4 0 2 0 0 2 8 03 0 0 掰 f i e q u e n c e ( i i z ) 图2 - 3 原磨床整机谐响应曲线 由于磨床的激振力是加工工件时产生的磨削力，从以上振型可以看出，磨床的第一阶和 三阶振型对磨床的精度影响较大，且在工作过程中是比较容易激发的。 2 1 。3 磨床各部分零件的模态分析 磨床各部分零件对整机的模态都有一定影响。分析各部分的模态参数对于了解整台磨床 的性能有一定帮助。在已经建立的磨床零部件模型的基础上进行各部分模态分析。分析结果 如表2 1 所示( 均取前三阶) ： 表2 - 1m k 2 1 1 0 磨床各主要部件前三阶固有频率 在以上的分析过程中，均取材料参数为h t 2 0 0 。弹性模量e = i 5 1 0 5 ，a ，泊松比为0 3 ， 密度为7 0 x1 0 - g t m m 3 。很显然对于桥板、回转板、箱体等一些零件其本身的固有频率已经 很高，刚性比较大，因此在以后的优化过程中可以不考虑这些零件。相反，对于床身来说， 由于其在整机系统中占有重要地位，是各个零部件的载体，其本身频率又相对来说最接近于 整机的频率，因此有必要对床身作一定的优化。 1 0 第二章内圆磨床动力学特性分析 2 1 4 床身分析与优化 在整个磨床系统中，床身是一个极其重要的大件，它起着支撑工件和连接主轴和砂轮轴 等关键部件的作用。床身结构动态性能与磨床整机的性能有着密切的关系，床身结构设计的 不合理，往往导致床身的刚度不足，从而在工作中产生各种变形和振动，降低了磨床的加工 精度。因此提高床身零件的动态性能，对保证磨床的加工精度具有重要意义。图2 4 就是 m k 2 1 1 0 内圆磨床床身低阶的各阶频率以及振型图。 ( a ) 原床身c a e 模型( b ) 一阶扭转振型( 2 5 4 5 4 h z ) ( c ) 二阶弯曲振型( 3 7 5 5 2 h z )( d ) 三阶弯曲振型( 4 0 8 9 8 - t z ) 图2 4 原床身以及前三阶振型图 通常来说床身内部是各种各样的加强筋板，不同形状的加强筋对床身的性能改善有不同 的贡献。目前有多种加强筋板的形状，比如：x 型、井型、w 型( 双x 型) 。大量的研究以 及文献资料表明：x 型筋板对于床身的抗扭性能有显著效果，而井型筋板对于床身的抗弯性 能有显著效果“。原磨床整机谐响应表现出来的是一阶的扭曲，因此在优化床身时应该朝 着x 型或者w 型方向探索，当然讨论适当的井型也有利于对结构优化的理解。因此本文在 下述分析中也讨论了部分井型改进方案。 原床身内部是比较整齐的井型，筋板壁上开有工艺孔，方便于铸造时出砂以及控制系统 的走线。针对原模型的振型特征。考虑床身实际安装以及工艺的需要，在保证床身外形尺寸 结构不变的前提下，本文对床身内部筋板结构和布局作出相应的修改。根据整机模态和谐相 应分析结果，原床身需要改进抗扭转的性能，以及床头部分的刚性，因此在原床身结构的基 础上提出了四种结构方案，在所有方案中筋板壁厚与原床身相同，所加筋板壁厚为1 8 m m 。 东南大学硕士学位论文 图2 - 6 各类型结构床身 四种床身内部结构剖视图如图2 - 6 所示。 ( i ) 内部下层添加四组x 型筋板； f i i ) 内部上下均添加四组x 型筋板； f 1 1 ) 内部添加一条横向垂直筋板； f i v ) 在( ) 基础上添加四条纵向垂直筋板； 上文已经提出以固有频率的高低来评判刚性的强弱。因此在上述几种优选方案中，对每 一个新方案有必要进行其模态分析，提取各自的固有频率。计算模态时同前文的方法一样， 利用a n s y s 提供的布兰索斯法来提取前十阶模态。由于分析的是无约束模态，因此前六阶 肯定是零。因此第一阶对应的应该是分析结果的第七阶，第二阶对应的应该是分析结果的的 第，阶，以此类推。 表2 - 2 各类型床身前三阶固有频率 四种新方案的动态分析结果列于表2 - 2 。各方案前三阶固有频率所对应的振型均为扭转、 弯曲( 上下方向) 、弯曲。通过以上四种方案的比较，明显双x 型的筋板对于提高结构的抗 扭性能有很大帮助。例如型的因为添加了上下贯穿的x 型筋板，使得床身的固有频率第一 阶提高了将近1 5 7 ，这是因为床身的第一阶是扭转的模态，x 型有效的提高了抗扭的性能 比较i 型与原床身的刚度值，可以发现第一阶基本没有发生变化，因为添加了横向( 或者纵 向如型) 筋板对结构的抗扭性能不大，横向或纵向的筋板从整体来看相当于构成了井字型 的筋板布局，它能有效的提高系统的抗弯性能，如第二阶，床身表现的是弯曲模态，添加了 井字筋板后其二阶固有频率值得到提高。另外通过、对比可以看出，床身的筋板布置密 第二章内圆磨床动力学特性分析 度有一个较优值，盲目添加或减少筋板数量不一定能提高床身的动刚度。如在m 的基础上 多添加了四条纵向垂直的筋板，然后其动态特性( 指低阶固有频率) 基本没有发生大的变化。 综合l 、m 和四种改进方案，可以发现方案i i 在第一阶和第三阶的改进上都比较 显著。因此可以方案来作为最终的优选结果。方案i i 的床身前三阶的模态云图如图2 7 所示。 ( a ) 一阶扭转振型 2 1 5 床身优化后整机的刚度 ( b ) 二阶弯曲振型 ( c ) 三阶弯曲振型 图2 - 7 床身前三阶振型 局部零部件的改进并不一定提高整机的整体性能，看零件优化是否合理必须看它在整机 的分析中是否对提高整机的性能做出了贡献 2 1 , 4 6 3 。因此在2 1 4 章节的基础对整机作模态分 析以及谐响应分析。 重新装配整机模型，导入a n s y s 模态分析模块，在此环境下计算前三阶的自由模态， 计算过程以及前处理均同上部分处理过程，此处不作赘述。提取计算结果与原整机前三阶比 较，列表如2 - 3 ： 表2 - 3 优化前后整机谐响应比较 很显然，通过对床身这一大件的优化，明显提高了磨床的抗扭性能，第一阶和第三阶的 固有频率均有很大的提高，分别提升了7 3 6 和6 2 7 。并且可以发现在整机中采用x 型 床身的筋板，对第二阶的弯曲模态没有起太大的影响，仅仅提高了3 2 8 。究其原因还是文 献4 6 提出的x 型筋板对抗扭性能显著，对抗弯性能不显著。 模态分析确定了优化后磨床的自由振动特性，为进一步确定优化后磨床的性能，有必要 对其作谐响应分析。上文已说明作谐响应的分析的目的，主要是为了模拟真实磨削时整机表 现出来的动态特性，分析中采用正弦激振力对约束磨床进行激振，读取磨头与工件主轴中心 的相对位移，优化的目的就是为了减小相对位移。因为磨头与工件主轴中心的相对位移直接 反映了加工精度与零件表面加工质量 1 3 东南大学硕士学位论文 雪 壹 = 童 8 01 1 2 01 4 0l e o1 8 0 枷2 2 02 4 02 ( 5 02 m o 锄啪 f r