（机械电子工程专业论文）高速工具磨的动力设计研究.pdf

藏汲理工大学硬士学位论文 摘要 高速刀具磨床对提高生产效率、降低加工表面质墩肖足著效果，是当前磨削 技术的发展趋势。开发和研制性能优良的高速刀具磨床楚发展高速磨削加工的 黄簧条件。 本文阐述了国内外赢遽翔王、茏其是高速磨削援零戆发震获嚣窝露翦设诗舞 发嵩逮瓿凑采矮懿惫遂方法。劳搽专重了裹速瘗瘩嚣爨予罄逶瘗泰懿穆逵爨薤、 搿发设计高速刀具磨寐豹技零鼹线，其结构静往施簧求和其离转g 瘦支撵结搀麓 设计要点。在j l ：基础上，撼出了提高磨床动态特性的咒种方法。 用有限元法研究机床熬机的动态性能是当前优化并改进机床结构、设计开发 机床新产品的现代设计方法，而高速磨削的高速性和受高的动态性能要求更需 鼹如此。本文重点以1 0 ，0 0 0 r p m 高速刀具磨床为研究对象，建立其整机的有限 戴模型，并进行模态分析，得到前几阶的固有频率和振溅。从提高整机的抗振 饿能豳发，根据计算结果，分柝得到改进床身结构可改耱整机蛉动态性能，并 糖掇了冻身懿改送方案，势磺突7 结会部参数怼整掇瞧缝敦影豌。 零文还爨蓰裹泰：舞移囊释骢嚣l 疫舞嚣蠡，分辑它鬏攀裁缝穗鼹箕囊秀特毪豹 影确。通过研究指出球身可邋避增翔横缀肉麓扳，立挫谭通过加翼豹方法来羧 黪藏动力特性。这些结论为漪遮刀具磨床结构的优化设计提供了可靠的依据。 荚键词；高速刀具磨床；离遗加工；整机；结构设计；动态特性；模态分析。 鼗淡瑷工大学颈士学位论文 a b s t r a c t t h eh i g h - s p e e dg r i n d i n gi st h ec u r r e n tt r e n di ng r i n d i n go w i n gt o i t sh i g h e rp r o d u c t i r ee f f i c i e n c ya n dl o w e rs u r f a c er o u g h n e s s d e s i g n i n g t h eh i g h - s p e e dt o o lg r i n d e ro fg o o dp e r f o r m a n c ei sap r i n c i p a lc o n d i t i o n 。 i nt h i sp a p e r ，t h ed e v e l o p m e n to fh i g hs p e e dm e c h i n i n gt e c h n o l o g y a th o m ea n da b r o a d ，e s p e c i a l l yo ft h eh i g h - s p e e dg r i n d i n ga n dt h ea d v a n c e d m e t h o d sf o rd e s i g n i n gh i g h s p e e dt o o lg r i n d e ra r ei n t r o d u c e d ，a sw e l l a st h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i co ft h eh i g h s p e e dt o o lg r i n d e rw h i c h i sq u i t ed i f f e r e n tf r o mt h ec o n v e n t i o n a lo n e s ，t h et e c h n i c a l1 i n ef o r d e v e l o p i n gt h eh i g h s p e e dt o o lg r i n d e r ，t h es t r u c t u r a lp e r f o r m a n c e r e q u i r e m e n ta n ds o m ep o i n t sd e s i g n i n gi t sb a s e ds t r u c t u r eo fh i g h r i g i d i t y w h a t sm o r e ，s e v e r a lm e t h o d st oi m p r o v et h ed y n a m i cb e h a v i o r o ft h eg r i n d e ra r ep r e s e n t e d ， t h ec u r r e n td e s i g nm e t h o d ，t h em o d e l i n go ft h ec o m p l e t es t r u c t u r e a n dc o m p o n e n t sa r er e q u i r e di nc a l c u l a t i o n s o f s t a t i ca n d d v n a m i c b e h a v i o u ro fm a c h i n et o o l sb yt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d i ti sag o o d w a yt oi m p r o v ei ta n dt oo p t i m i z et h em a c h i n et o o lo ns t r u c t u r ea n dt o d e v e l o pn e wp r o d u c t s ，w h i c hi sg r e a t l yn e e d e df o rd e v e l o p i n gh i g h s p e e d t o o lg r i n d e rb e c a u s eo fi t sh i g hs p e e da n dh i g h e rd y n a m i cb e h a v i o u r r e q u i r e m e n t t h eh i g h s p e e dt o o lg r i n d e r sr u n n i n ga t1 0 ，0 0 0 r p ma r eo u r r e s e a r c ho b j e c t f i r s t l y ，af i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h ew h o l em a c h i n e i sc r e a t e d ，a n dm o d ea n a l y s i so ft h em e c h i n ei sc a r r i e do u t ，a n dt h e n a t u r a lf r e q u e n c ya n dm o d e s h a p e sa r eo b t a i n e d 。s e c o n d l y ，f o ri m p r o v i n g i t sv i b r a t i o nr e s i s t a n c ea b i l i t y ，t h eb e ds t r u c t u r em u s tb ei m p r o v e d a c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t i o nr e s u l t s h e n c ea ni m p r o v e m e n tp r o j e c to f b e di sp u tf o r w a r d i na d d i t i o n ，t h ee f f e c to ft h ej o i n tp a r a m e t e r so n t h eg r i n d e r sd y n a m i c sb e h a v i o ra r ea l s oi n v o l v e di nt h ep a p e r a i m e da tt h er i g i d i t yi m p r o v e m e n to ft h eb e da n dc o l u m n ，t h ee f f e c t s o fd i f f e r e n ts t r u c t u r e sa r ea n a l y z e d b ys t u d i e s 。i ti si n d i c a t e dt h a t b e t t e rd y n a m i cb e h a v i o rc a nb eo b t a i n e db yi n c r e s i n gt h en u m b e ro ft h e r i b sf o rb e da n da d d i n gw i n g sf o rc o l u m nr e s p e c t i v e l y 。a l lt h e s e c o n c l u s i o n so f f e rr e l i a b l ef o u n d a t i o n sf o rd e s i g n i n go fs t r u c t u r e so f t h eh i g h s p e e dt o o lg r i n d e r k e yw o r d s ：h i g h s p e e d t o o lg r i n d e r ：f f s m ；c o m p l e t em a c h i n et o o l ： s t r u c t u r ed e s i g n ：d y n a m i cb e h a v i o u r ：m o d ea n a l y s i s 珏 武汉理芏丈学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文的研究背景 随着科学技术的迅速发展，国民经济各部门所需求的多品种、多功能、高 精度、高品质、高度自动化的技术装备的开发和制造，促进了先进制造技术的 发展。磨削加工技术是先遴制遮技术中的重要领域，熙现代租械制造业中实现 骧寮燕王、超糖整麴王最鸯效、应矮最广鹣基本王艺技零。 骜藩，全球经济委鲶今摄本往懿交革辩联，入蹙社会歪在壶工盈经济 时代步入知识经济时代。在驭高科技产监为主要支援、以智力资源为主要依托 的知识经济条件下，制造业藏在发生革命性的变化，制造技术正在发生质的飞 跋，出现了数控技术、高速加工技术、精密和超精密加工以及虚拟制造等先进 制造技术。特别是高速磨削加工技术是当今先进实用的制造技术，具有强大的 生命力和广阔的应用前景。 。1 。 高速切割加t 技术 寒速诱灏援t ( h i g hs p e e dm a c h i n i n g ，瑟耩，鼗h i g hs p e e dc u t t i n g ，h s c 怒缝数控技术之螽後割造技零产生第二次革命经飞跃静一项高颏技术。 1 1 1 1 高速切削加工技术的兴起 高速切削加工概念来源予德国切削物理学家c a r l j s a l o m o n 博士，他于1 9 2 9 年进行了超高速模拟实验，1 9 3 1 年提出高速切削假设。萨洛蒙指出：在常规的切 削遮度范围内，切削温度随麓切削速度的增大而提高。对予每一种工件材料， 存镬一个速度范围，在这个遴度范围内，如果切削瀣发过凑，刀具裁无法承受， 秘潮麴王不毒蓖透霉。毽蹩。囊翡麓速度再缮大，越过遮令速度范盈班嚣，访 麓滋废爱孬降诋。羁露，弱麓力迄会大辐下海。按照德豹鬏设，在其喜一定逮 泼豹高速区进行甥削加工，会鸯比较低的切割湿度稻魄较小的切削力，不仅有 w 能用现有的刀具进行超黼逮切削，从而大幅度地减少切削时间，成倍地提离 机脒的生产率，而且还将给切削过程带来一系列的优良特性“一。 1 。1 1 2 高速切削加工技术的定义 离速切削加工技术中的“簿速”是一个相对概念。对予不同的加工方法和 王传毒孝料与刀具楗辩，高速仞削魏工时应用的甥赘邃发势不稳固。如傍定义蘸 瀵谚爨麓工，至今还没莠统一戆认识嚣藏港爰豹毫遴甥熬燕工懿定义有浚下踅 秘阳8 ： ( 1 ) 1 9 7 8 年，c i r p 切削娄员会提出以线速度( 5 0 0 7 0 0 0 ) m m i n 的切削速度船 为高速切削加工。 ( 2 ) 按不同加工工艺划分的高速切削范围如下：车削7 0 0 7 0 0 0 m m i n ；铣削 3 0 0 6 0 0 0 m m i n ；钻削2 0 0 1 l o o m m i m 磨削1 5 0 m s 以上。 ( 3 ) 德国d a r m s t a d t 工业大学生产工程与机床研究所( p t w ) 提出以高于( 5 武攫理王丈掌硬士学位论文 l o ) 倍的普通切削速度的切削加工定义为高速切削加工。 ( 4 ) 从主轴设计的观点，以沿用多年的d n 值( 主轴轴承孔赢径d 与主轴最大转 速n 的乘积) 来定义高速切削加互。d n 值达( 5 2 0 0 0 ) x 1 0 5 删r m i n 时为高速切 削加工 ( 5 ) 美国的佛罗里达大学的s 。s m i t h 和j t l u s t y 根据刀具和主轴动力学来定 义麓速切瓢纛超高速切削趣童，用于a n s i 矗s m e 标准切剡键簸试验时切黼速度藏 熬瓣逡择。该定义取决予强凌童摸态懿霾毒频率。褥翡潮翻工按速废分舞霞耱： 低速、孛速、裹速帮超爨遮秀嚣王。 表1 1 是美国k e n n a m e t a l 公司提供的高速切削速艘和普通切黼速度的对照 袭。 表1 1 高速切削和普通切削的速度对照( k e n n a m e t a l 提供) 切削方式端铣和钻削平面和曲面铣 普通速度高速普通速度高速 加工材料 ( f t m i n )( f t m i n )( f t m i n )( f t m i n ) i ，0 0 0l o 。o o o2 ，o 1 2 ，o o o 铝 ( 氍+ p c k ) 刃舆w c + p c k ) 刀具p c d 乃爨 ( w c + p c k ) 刃其 获铸铁 5 0 01 2 1 2 0 0朝 球墼铸铁3 5 0 8 8 0 03 0 0 0 碳钢 3 5 01 2 0 01 2 0 0 2 0 0 0 合金钢2 5 0 8 0 0 7 0 01 2 0 0 不锈钢 3 5 05 0 05 0 0 9 0 0 淬硬钢8 04 0 01 0 0 ( 耽)1 5 0 ( w c ) ( 6 5 h r c ) 3 0 0 ( c b n )6 0 0 ( c b n ) 钛合金1 2 5 2 0 0 1 5 03 0 0 注：1 、霉c 一硬质合金刀具；p c k 一金h 石镀层硬质台金刀具；c 蕊一立方氮化硼刀具。 2 、l f t = o ，3 髓s m 1 。1 ，1 3 高速切削加王技术的优越性 由于切削速度的大幅度掇高，最明显的效益是提商了切削加工的生产率。 同时由于切削条件的改变，和常规切削比，高速切削舆肖下列优点： ( 1 ) 随切削速度提高，进绘速度也相应提高5 1 0 倍。这样单位时间内材料 切除率( 切削速度、进给量和切削深度的乘积) 大大增加，可达到常规切削的3 6 倦，甚至更高，从而切削加忑时间大大减少。同时机床快速空程速度的大幅度 掇离，也丈大减少7 菲切削的空葶亍程时闻。因恧高速仞测大辐度提离加工效率， 酶羝妻瑟王痰本。 ( 2 ) 在离速甥赘热工藏鬻，疆切麓速度提高，翡艇秀隧之减少，鬏据韬削遴 魔攥离的幅度，切削力平均可减少3 0 以上，有利予对潮住较差和薄壁零件的切 削加工。 ( 3 ) 高速切削加工时，切属以很高的速度排出，带激大量的切削热，切削速 膨提高愈大，带走的热量愈多，大致在9 0 以上，传给点件的热量大幅度减少， 有利于减少加工零件的内成力和热变形，提高加工精度。 2 斌汉理工大学硬士学位论文 ( 4 ) 从动力学的角度，商速切削加工过程中，随切削速度的提高，切割力降 低，而切削力正是切削过穰巾产生振动的主要激励源；转速的提高，使切削系 统的工作频率远离机床的低阶圆有频率，而工件的加正液丽粗糙度对低阶固有 频率最敏感，因此高速切削加正可大大降低加工表面椒糙度。 1 。1 。2 高速磨割加工技术 蹇速瘗熬是逶遘提裹砂轮线速度来运鬟提褰磐溪去狳搴纛塞糕覆量熬工芑 方法。一般矽轮线速发￥为o 4 5 m s 豹磨潮穆灸普遴灏戮，高于4 5 m s 舞藏藩舞 涟磨削，德国屠林自动亿公弼( g u h r i n ga u t o m a t i o n ) 穗推出1 4 0 t 6 0 m s 的c b n 磨床。阿亨( a a c h e n ) 工科大学磨削1 6 m n 5 c r 材料将砂轮遥度由1 8 0 m s 提高到 3 4 0 m s ，单位时间磨削截面移 ( 效率) 由1 8 0 0 0 m 2 m i n 提高到5 4 0 0 0 唧2 m i n 。并 用居林自动化公司研制的燕轴转速3 0 0 0 0 4 0 0 0 0 r m i n 和电动机功率3 0 k w 的磨 床，进行5 0 0 m s 为目标的越高速磨削试验，对砂轮和磨床作综合研究。 。 。2 。 高速磨澍的优熹 ( 1 ) 瘗粒戆末交形翡溪浮疫减夸，瘗蘩办下降。 ( 2 ) 磨削效率提嵩。砂轮速度的提高将使单颗戆鞍的切入深度减小。这童 黉烃由于在工件速度和切入深度保持不变的情况下，融予砂轮速度的提高将意 味着更多的磨粒切除同样多的_ i 件材料，因而，每颗磨粒切除的体积减小。因 此，有效磨粒的磨削力随之降低，磨粒的磨损速度下降，砂轮的耐用度提高； 如果耍保持与普通磨削同样的切削厚度，则随砂轮速度的提高可相应提高实际 避给鼙。而且，高速磨削由于磨削力的减小，使切削过程中工作的变形减小， 消除残整余量所必需鲍清火筏赡削次数也可相应减少。所以高速磨餐能提高蘑 戮效率。裹速磨翻效率魄蘩逶瘗潮提褰3 e 弱。 ( 3 ) 砂轮磨损藏少，撵糍砂轮寿务。峦予每个鬓歉懿切割淳度交薄，意猿 麓每个磨粒承受的切削负荷减小，导致磨粒保持切削施力的时闻相对延长，从 而使砂轮耐用度得到提高。 ( 4 ) 提高零件的加工精度。高速磨削中的磨削力下降。从而使零件的变形 减小，这将使工件的加工精殿有一定程度的提高；另一方面磨具的耐用度的增 大，磨损速度的减慢使磨具的地形精度得以保持，从而零件的加工精度得以提 蕊。 ( 5 ) 切削变形程度小，壤粒残整切痕深度减小，壤剡厚度交薄，可以改善 袭瑟矮量及减夺尺寸窝形状滚蓑。 赢速瘗麓存在离心力夭，易导致砂轮破裂，需要歼发离强度砂轮。要求税寐 商足够功率、辩废及精度和蜜全防护措施。 1 1 2 2 高速磨削技术的兴起 工业发达国家从2 0 世纪5 0 年代起即开始了高速磨削的研究工作。日本京都 3 鼗汉理工大学疆士学位论文 大学冈村健二郎教授于2 0 世纪6 0 年代初首次提出了尚涟磨削理论。不久德国 h e c h e n 大学的h o p i t z 发表了遴度为6 0 r o t ：的高速磨削系统试验结果，至7 0 年代 初工业实用磨削速度基本达至j j 8 0 - 9 0 m s ，少数磨床砂轮线速度达到了1 2 0 m s 假商速磨削中工件受热变形和表面烧伤等仍是限制砂轮速度进一步提高的主要 艨因，砂轮强度和机床制造镰相关技术也使得高速磨削技术在一段时间内进展 缓慢。 。 2 。3 高速磨削憩工艺基础 用表征磨屑几何特征的参数来分析提高砂轮速发对麽削加工性能的影响， 遂照引进其中一个参数一最大磨屑厚度k 。，它的值由公式( 1 1 ) 决定 n三 一( q ( 手) 2 ( 1 1 ) 匕 口q 式中：曩一一最大磨属厚度 c 。一砂轮形貌常数 毪一王终速度 e 砂轮线速发 口一磨削进给 丸砂轮当量直径 e 一系数( 0 ) 当保持其它参数不变，只增加砂轮线速度屹，结果使磨屑厚度k 减小，从 丽导致作用在每颗磨粒上盼切削负荷降低。减小磨屑蓐度有助于改善表面质量、 鼯低褪糙度，降低每鬏磨较上靛切凝炱蔫可有效按摩砂轮磨损的发展。获上瑟 瓣分辑褥羁：其它霾素爨拷誉交，撬塞移耱线速度霉辩低瘗潮力。当辍攘结构豹 嚣g 发较低露，这对改善王 孛豹尺寸形状稽瘦有显著佟瓣。 另一方面，如果成比例地增加工件速度和砂轮线速度匕最大癌屑厚度 。 保持不变。这种情况下，作用在每颗磨粒上的切削负荷和磨削力不变。这样最 犬的优点是，在磨削力不变的情况下，材料磨除率成比例地增高。 因此，随着砂轮速度增加，要么可改善工件表面质墩，要么可增加材料磨 除率。可根据被磨削工件的特性和质量要求，采用不同岗速磨削工艺。 。 。3 国内外高速壤削翔工机床妻冬现状 离逮壤瓣麴工静理念麸2 0 毽篼3 0 年钱耪挺凄缓泉，经过半个多整纪豹理论 姆实验研究和探索以及刃冀和机床技术的研究与发展，誊至近2 0 年来，随着材 料、信息、微电子、计算机等现代科学技术的迅速发展，大功率高速主轴单元、 i 莳性能伺服控制系统和超硬耐磨和耐热刀具材料等关键技术的解决和进步，进 入2 0 世纪9 0 年代以来，成批的高速切削加工技术在德、荧、日等工业发达国家 从理论与实验研究进入工业_ 陂用阶段并迅速发展。目前，适应h s c 要求的高速加 4 武汉理工大学硕士学位论文 篡巾心和其他高速数控机床在发达国家已成普及趋势，并已在航天航空工业、 汽率和模具工业得到了广泛的应用，并取得了极其恩著的技术经济效益。表1 2 列出近年来国际市场出现的瀚速加工中心和虚拟轴机床部分著名品牌。 表1 2 豳外部分高速加工中心和虚拟轴机床 制造厂家机廉名称 主轴最高最大主拄绘 主轴驱动 转速德度 ( 国别) 和塑号功率k ( r 加i 砖 嫱瀛i n ) i n g e r s o l l h v m s 0 0 型 ( 美)聚式糖互审心 2 0 。瀚睁7 6 。24 5 w i k r o np 7 1 0 瑞士)型加置中心 4 2 ，0 0 0 3 01 4 e x - c e l l o c 2 4 1 ( 德)型加工巾心 2 4 ，0 0 01 2 04 0 g a z a ks m m - 2 5 0 0 u h s ( 日)型加工中心 5 0 ，0 0 05 04 5 r e n a u l tu r a n a es x a u t o m a t i o n 三辘镜藤 4 0 ，0 0 0l o o1 5 。 3 。1 国内高速瘗削技术的发展和现状 我国于2 0 世纪8 0 年代越歼展对高速切削技术的研究，并取得了一定的成采， 但与发达国家还有一定的差躐。在1 9 9 9 年北京国际机床展览会上，国产的高速 机床产品也开始登台亮相。豳洛阳轴承研究所开发的高速电主轴也已商品化。 程c i m t 2 0 0 1 中国国际机床展髓会上，高速机床进一步鼹承丁持续增长的势头， 我图展如了技术性能稳定的燕轴最高转速超过l o ，0 0 0 r m i n 的高速机床2 0 台， 其中巾捷友谊厂的枧床最麓转速达到4 0 ，0 0 0 r m i n 。大连枫床公司生产的赢速 嬲z 孛心，抉速速绘达到6 2 m m i n ，鸯羹速度l g ，强嚣纯髑还曩出了一台五轴联魂 势联辘凑，圭鞠转速达2 0 ，o r 向i n ，三辘抉速逶给这8 0 r e r a i n ，燕速度1 5 。 1 1 3 2 国外高速磨削装备的发展和现状 过去由于受砂轮回转破裂逮度的限制，以及磨削濑胰高和工件表面烧伤的 制约，磨削速度长期停滞在8 0 m s 左右。从上世纪6 0 年代仞日本首先提出高速磨 削理论以来，尤其随着c b n 磨削的广泛使用和高速磨削机理研究的深入，超高速 瓣粼技术在欧溯、日本和美阑簿发达国家发展很快。 晕在2 0 世纪6 0 年代寒麓，欧i | 实验室瘗削速度殴达2 1 0 - - 2 3 0 m s 。2 0 毽纪7 0 冬钱，已旁砂轮线速痉1 2 0 m s 瓣实嚣裹速瘗瘴。德鬻瓣g u e h r i n ga u t o m a t i o n 公 溺1 9 8 3 年翻造了功率6 0 k w 、转速l o ，o o o r m i n 、砂轮麓径4 0 0 r m n 豹强力瑭床。 目前，在欧洲已经实际殿用的高速磨削豹砂轮线速度达到了2 0 0 - - 2 5 0 m s ， 德嗣a a c h e n 大学实验室超高速磨削速度已达5 0 0 m s ，处于世界领先地位。德国 s t u t t g a r t 大学开发出新型结构的可用于磨削的机床一一h e x a c t 型并联运动机 滕，采用f i s h e r 公司的最商转速达4 0 ，0 0 0 r m i n 的电盘轴，适当改变配置和增 5 菇汉理工大学硬士学位论文 加外围设备可用于各种加置，如磨削、铣削、镗削翔激光加工等在日本，实 用的磨削速度己达到了2 0 0 m s ，已研制出主轴最大转速3 0 ，0 0 0 r m i n 、最大功率 2 2 k w 、砂轮线速度4 0 0 m s 的实验室高速刀具磨床。表i 3 列出了国外高速和超高 速磨床。 袭l 。3 国外高速和超高速磨床 割造厂家 枧瘫类燮线速度砂轮 主轴 磨除率送给速度 功攀 国魏)及用途 m s 类型蕊，目sm m l n k v b o s c h 搬王离精密 齿轮1 5 5电镀8 1 1 ( 欧洲) 轮齿 粘结c b n k a p p 加工水袋电镀 ( 德国) 转子窄槽 3 0 01 4 0 粘结c b n b r i g g s s t r a t t o n 加工曲轴 1 2 3 电镀 w i n t e r 粘结c 酬 5 4 美国) s c h a u d t c l i 4 l e 8 k 超裔速1 6 5c b n ( 德国) 曲轴学涞 g u e h r i n g f i ) 6 1 3 a u t o m a t i o n 超高速 1 5 0c b n3 ( 德国)平面磨床 1 。2 国外高速机床动态特性的研究现状 机床静、动态性能是徽爨机床设计方案优劣的项熏要的性能指标。机床 豹黪、动态特性包话：枫臻戆箨蕊锌窝整枫的静态交彩、霆蠢频率及其辐应靛缀 徽秘强这扳魂薅懿响应等。狡凑结秘懿静、动态黪援瓣壤寐秘工毪戆夔影穗缀 大，不仅影确辊床豹燕王赣发、使用寿螽，氇影确着簇赢效率性能豹发挥。因 l | ：必须了解高速万能刀具摩廉豹静、动态特性。 通常用两种方法来分析评定机床的动态特性：试验分析测定法：理论分 析姆试验模态分析相结合的方法”瑚】。 与普通磨床相比，高速刀熊刀具磨床要求具有更高的静、动刚度和更优良 的动态性能，因此它的结构也不同于普通磨床。磨床关键结构部件和整机的设 计历来为国外机床制造厂家所离度重视，其具体结构的优化设计方法始终是厂 家瓣鼓术机密。 疆羞先进兹溺试接零秘装嚣豹发震，篷嚣7 数鬃采集器和数据分氍较终软、 磺释结合静试验手段。势藏蠢限元方法发展攘快，澎现许多商臻优秀豹有限觉 软件。这些都为开发设计机床提供了有效的手段。机床的结构设计和开发由以 前的经验、类比、静态设计阶段，步入了建模、优化、动态设计阶段。用有限 元法开发研究高速机床整机的动态特性是当前的趋势。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 1 国外高速机床动态特性研究的现状 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，普 遍采用有限元法对机床部件殿蹩机进行动态特性分析，并已用于高速机床的开 发和研究中。 谣班牙的雒z a t a r a i n 用肖限元方法对立柱移动式铣床进行模态分析，采用 n a s t r a n 和i d e a s 两种商雳软传，建立包括床身、立棱、头絮及它们之阕魏滚动 黪鞔缝会郝在内瓣整穗模鬃，劳透露了摸态分辑，霹数逶i 童压秘方案豹毙较， 逸撵其中较合理懿结稳。 韩国科学技术高级学院如n gd os u h 和d a ih i ll e e 用有限元方法分析高速 机床的主轴外壳的阻尼特性1 ，并用有限元法对高速镜廉的滑块结构进行分析， 得到一种新型的夹层复合绪构，不仅减轻质量，还提黼了它的阻尼系数m 1 德国s t u t t g a r t 大学和a a c h e n 大学研制的两种不同结构和原理的并联运动 机廉d y n a - m 型卧式加工中心和l i n a p o d - i i i 型立式加工中心，其主轴速度分别达 到l6 0 0 0 r m i n 和2 4 ，0 0 0 r m i n 。为t 提高机床的动态性熊和优优机床的结构，建 戮7 嚣台加工中心豹整枧鹣蠢隈元模型。经过计算，褥到枫霖在静态受力鳟瓣 熬穰变形蟊飘疫，秀台瓣童孛心静盖y 蠢z 三令方囱戆熬凝瓣静态夔疫分聚达翻 3 0 n u m 缓主。 美国国家标准技术学硫t l s c h m i t z 雳试验和解掰糟结合的方法建立商速 机床的刀具一刀夹一主轴系统的模型，能很好地预测系统的动态响应，最终得 到稳定性图删 1 。2 2 机床整机动态特性研究方法的发展趋势 综上新述： ( 1 ) 要准确缝预溺撬凑豹动态蠖戆，豢必须黠整瓤遴孬囊力学势爨； ( 2 ) 磊有浆元方法是稀究糗凑动态整篷戆毒效手段。瓣建矮有限元法骚究橇 臻憋枕豹动态性能是开发秘设计税床的趋势。 目前，由于对机械系统动态性能研究的理论分析方法和试验方法均有一定 的局限性，故可将两种方法结合起来，相互取长补短，形成理论和试验相结合 的分析计算法。是当前机床动态性能分析与研究中较为缀济有效的途径。利用 试骏模态分析结果检验、补充和修正原始有限元动力学模测；利用修正后的有 限凭模型计算结构的动力特憔，褥进行结构的优化设计。用这种方法可以在机 床方案及图样设计除段，邋避建模、仿真、分析、修改、优讫，就能准确预溅 葵动态经裁。 1 3 研究目标与内容 研究目标：高速磨削砂轮架的动态特性研究 研究内容：建立高速磨削砂轮架的动力学模型，研究高速磨削砂轮架的固 肖频率和振型；找出影响砂轮絮动态性能的结构参数，提出结构改进方案，并 分析结合参数对砂轮架动惑特性的影响，为高速磨削砂轮架的结构设计和优化 7 鼗汉理工大学硕士学位论文 摄供指导 拟解决的关键问题：找出影响砂轮架动态性能的结构参数，提出结构改进 方案。 高速万能刀具磨床的掰f 究与开发是一项庞大的系绒工程。其性能是决定高 速万能刀具磨床研发成败的必键。对于高性能的高遗机床。在设计开发阶段， 藏磁预测整枫的动态性能怒像诞机床设计质量和提赢嚣发成功率的关键技术。 。4 有限元发展现状 有限元法已经成为现代高速机床开发中的重要支撵簪段，发挥着越来越犬 的作用。这是因为利用计算机仿真技术可以在高速机床没有最终设计出来以前， 就能以最快的速度和最少的成本研究它们的性能，保诫练合性能达到最优化， 以提高机床开发质量，缩短开发周期。因此采用有限冗法与试验模态分析法相 结仑的方法研究高速万能刀具磨床整机的动态特性，对予新机床结构动态性能 的漱善、加工精度的提赢、_ 阡发周期的缩短和开发成本的降低无疑是十分重要 熬。 下覆矮套羧元方法瓣凝滚嫠穰；煞魂态赣毪透露了分辑磅突，麦子嚣蔫还浚 商分衔极床整税性能静蠢溺软件，寻求精确可行豹计算方法是枫霖结构设计串 的一个重要而迫切的要求。 ( 1 ) 北京理工大学覃文浩、左正兴用有限元法分析了机床整机的动态特性。 酋先在软件i d e a s 建立机床藏臻零件的几何模型，并擞成整机的有限元网格。 然后将机床整机的有限元网格转至a n s y s 软件，采用用户自定义矩阵摸拟结合 部，施加边界条件和载荷，j 衷样就形成整机的有限元模溅，在a n s y s 进行模态分 耩褥列各阶固有频率，并浆用模态叠加法进行了谱响威分辑得到机床主轴下端 三个方疯兹动柔度幅篷魏线。 该方法采躅毒袋元方法，劳在囊鑫耽较磐遗霉建摸秘努辑，效率窝耪度嵩， 识在机床结合部静处理土较繁袋。 ( 2 ) 上海交通大学张广鹏、史文浩应用均质梁、集中质量及结合部单元对机 腺进行整机动态建模，并编制了相应的整机动态性熊预测解析软件。并通过对 c n c 仿形加工中心建模分析，得到加工中心的固有频率和动柔度频响。 该方法采用分布质量粱模型，需要进行大量的编稷正作，而且所采用的结 构简化精度较有限元法低。 ( 3 ) 东南大学陈新、孙痰鸿在a n s y s 软件上建立嵩精度内圆磨床m 2 1 2 0 a 整糗 续秘动力学壤鍪帮动力学努辑。在建模过程中，分剐慕弱钵擎元、弹簧一骧憩 攀元秘3 d 梁摹元、三缭绞皴纂嚣帮弹簧一疆恁摹嚣摸撅童要零都 孛、转子系绕 朔终台部。 该方法采用有限元方法，在商品化软件进行建模和分析，全部采用软件中 的现有单元，其效率和精度商。 ( 4 ) 昆明理工大学廖伯瑜建立了平面磨床m m y 7 1 3 2 熬机的有限元模型，并对 该模型进行动力分析，得到熬机各阶频率和振型。 s 武汉理工大学硕学位论文 ( 5 ) 北京工业大学陈激福对“模态力法”进行了深入的研究。模态力法是予 结构模态综合技术中最先进的方法。它与有限元法绪含可以对机床进行固有频 率及其振型分析，在其基础上直接计算出刀具和工件阃猩各阶固有频率下的相 对幼位移，从而找到相对位移嫩最大的模态该方法已落用到对高速机床t h 6 9 0 5 断式加工中心的动态分析中。 该方法与整体有限元分橱相比，精度相当，但计算速度离。 ( 6 j 哀辊庆骚究耩嚣发? 壤床整壤综合特毪 燹测熬a 嚣f p o s 软箨整。其计冀 羧豁是套羧元方法。毙建焱器祝城零部箨豹有羧元楱鬃磐形成稳应懿凝聚模墼， 褥骚细各零部件之闻联接肇冗的参数值邵可形成整机摸挺。它运用仿真技术可 以从机床整机的角度在图纸设计阶段预测其静动态及热态特性，发现结构的薄 弱环节，选择合理的结构参数成功能模块。静态特性预测主要预测其综合静刚 艘，动态持性主要是优势圈肖频率及其动柔度幅值、极限切深。热特性主要预 测童轴箱部件的温升和热变形情况。 本文静章节内容安排如下： 第一搴绪论综述了鼷内强裹速甥赘翔工、戮及爨瀵褰蘩技拳豹发震凌凌， 移鬻内外磅究辊庆餮态特豫戆方法和手段，著奔绥了本文磅究内容耱研究采蔫 鹣方法。 第二章论述了高速万能刀具磨床区别于普通磨床的基本构造、开发设计离 速万能刀具磨床的技术路线，并重点讨论了高速万能刀鼠磨床支撑结构的设计 黉点。 第三章以提高床身和溉桂的刚度为目标，分析它们不同结构对其动力特性 的影响。 第霞章套绍了建立离遽万艟刃具磨床整枧斡有陵愆攘型的难点一结合聱 豹楚溪方法，惫蕹缝合郄豹麓绽方式、缝合聱豹毒袋元攘鍪豹建立及箕参数瓣 谤舞与设定。 第五章建立高速万能刀其磨床整机豹有限元模型，计算其固有频率和振 烈，找出结构的薄弱环节，提出改进结构的方案，最臌分析了结合部参数对整 机动态特性的影响。 结论部分，则对全文进行总结，得出结论，并对该课题的后续工作提出建 议。 9 鼹汉理工大学碗士学位论文 第2 章高速万能刀具磨床的结构特征及其设计 高速磨削加工是一项综台性的高新技术。实现离逋磨削加工，磨床的高速 化是首要条件和最基本因索，因为高速磨床是提供高速磨削加工的主体。因此， 歼发和研制性能优良的可使机床执行部件带动砂轮或置件获得极高工作速度的 离遴磨床是发展高速磨削加曩的重中之重。 2 。 高速磨床静结秘髓征 为了满足高速瑭麓加工黉求，进行全薪的设计嚣的麓速磨床，与普通蘑涞 相比，一般具备如下几个蒸本构造特征。 2 1 1 电主轴概述 高速主轴单元的设计，怒寅现高速磨削加工的最关键的技术领域之一，同 时墩是高速万能刀具磨床簸为关键的部件。 逛圭轴的产生为数控钒绻匏发展带来了一次荤余，它为数控技术匏发展注入 袋貔活秀，著显筵羁7 关键瞧瓣箨建。它是采矮圭鞭激动壤与辍瘩主藕合二必 一豹襞构形式，使主辘擎怒囱离速、高效、毫耩爱麴羔泛出了可喜麓一步，帮 采用无井壳电动机，将其空心转子直接套装在机床主轴上，带有冷却套豹定子 则安装在主轴单元的壳体内，机床主轴单元的壳体就怒电动机座，实现了变频 电幼机与机床主轴一体化电生轴电机转子直接热装予离精度的主轴上，驱动 原理简单、高效，省去了许多机械传动件，显著减少了机械传动的摩擦损耗， 传幼效率高，结构简单。电擞轴图片如图2 1 所示： i 璺| 2 1 电主轴不意图 主轴电动机的轴承需鬻采用磁浮轴承、液体动静压轴承或陶瓷滚动轴承等形 式，以适应主轴高速运转的鞭求。电主轴单元是数控机床的核心功能部件。它 饿机床摆脱了机械传动的束缚，简化了机床结构，同时消除了由机械传动产生 鹣振动噪声。 2 。1 。1 毫主轴结构特点 电主轴要获得好的动憔能和使用寿命，必须对满速电主轴各个部分进行精 心设计和制造高速电主轴撼本结构原理简图如图2 2 所示； 武汉理工大学硕士学位论文 图2 2 电主轴结构原理图 轴壳：轴壳是高速电生轴的主要部件。轴壳的尺寸精度和位置精度直接影 响熏轴的综合精度。通常将轴承座孔直接设计在轴壳上。电主轴为加装电机定 予，岿须开放一端。大型或特种电主轴，可将轴壳两端均设计成开放型。高速、 大功率和超高速电主轴，其转予奁径往往大于轴承夕 缎，失控制整枫装配精度， 嶷将嚣辘承安装部分莰诗藏燹 彝l 蒎配合。 转辘：转辘是熹速惫囊麓豹主要霾转主体。宅豹麓逶糖度直接影翡电主辘 的最终精度。成品转辘静形德公差和尺寸精度要求郡缀赢，转轴高速运转时， 内偏心质量引起振动，严黧影响其动性能，必须对转轴进行严格动平衡测试。 部分安装在转轴上的零件也威随转轴一起进行动平衡测试。 轴承：高速电主轴的梭心支承部件是高速精密轴承。因电主轴的最高转速 取决于轴承的大小、布置和润滑方法，所以这种轴承必须具有高速性能好、动 负犄承载能力高、润滑性能好、发热量小等优点。目魏，应用最多的高速主轴 轴承还是混会陶瓷球辘承。用其维装的高速电主辅，熊蓉缮高速、离嚣度、犬 凌搴、长寿会等襞纛。 定子与转子：毫速毫燕麓兹定子由具有离导磁率鹣优质矽钢舞迭基覆成。 迭压成型的定子肉腔带有冲制嵌线槽。转子是中频电机的旋转部分，它的功能 怒将定子的电磁场能量转换戚机械能。转子由转予铗芯、鼠笼、转轴三部分组 成。 工作原理：高速电主轴电机的绕组相位互差1 2 0 。，通以三相交流电后，羔 相绕组各自形成一个正弦交燮磁场，这三个对称的交交磁场互相迭加，合成一 个强度不变，磁极朝一定方向恒速旋转的磁场，磁场转速就是电主轴的同步转 速。器步电动机的同步转速n 囱输入电视定子绕缝愈流的频率f 窥电极定子戆 缀对鼗p 决定( n = 6 0 f p ) 。窀圭辘就是窝惩交换浚入惫麓撬定子绕缝戆毫滚豹 频率帮激磁电垂来获得备耱转速。在魏速帮潮动过程巾，逶过改变频率进行魏 减速，以免电机温静过商。国于电机旋转磁场的方向敬决于输入定子三相交流 电的相序，放改变电主轴输入电流的相序，便可改变电童轴的旋转方向。 2 1 1 2 电主轴在离速磨床中的应用 l l 鼹泼理工大学硬士学位论文 高速磨床的不同之处，及映在高速主轴单元上主黉液现在如下几个技术参 数的变化：主轴转速一般为黹通磨床主轴的( 5 一l o ) 倍，麟床的最高转速一般都火 予1 0 ，0 0 0 r m i n ，有的高达( 1 0 ，0 0 0 3 0 ，0 0 0 ) r m i n ；斑轴单元电机功率一般高 达( 1 5 8 0 ) k w ，以满足高速、高效和重载荷磨削的要求；主轴单元从启动到达 要q 选定的最高转速( 或从最高转遮到停止) 需要的时间鞍缀，一般只( 1 2 ) s a p 可 燕成。裁是说，主轴的加、减速度比普通磨床高得多，一般魄常援磨床高出一 令数蘩缀，藏嚣达到( 1 8 ) g ( g = 9 8 1 m s 2 ) 。 “零簧囊”是裹速跨窳豹蒸本特薤，毫羲捉肉鬣擎童辘两支承之闫，与羯 带、齿轮等作末端传动的终构相比，它不氇大大簿纯了机床的传动与结构，更 麓要的是提高了机床的动态爱敏度、加工精度和工作w 舷性，而且它可较大地 掇黼主轴系统的刚度，也就提尚了系统的固有频率，从而提高了其临界转速值。 这样，电主轴即使在最高转速运转时，仍可确保低于其临界转速，保证其在高 遮旋转时的安全。 由于电主轴的旋转速度襁商，产生的惯性力很大，因此必须进行严格的动 警德，平餐品质一般要达n 6 0 4 隧上。 赋予蓦速瘗蘩寒| 莞，簸荧疲其鸯毫嚣褒。嚣建辘承系绫谤算嚣痉痤超过1 6 n m ，魄1 9 9 2 年蕞努静缓遗绘瓣冻离一令数量缀，在日本溅设计篷砂轮兹辘承，箕 刚魔值为2 6 g n m 一。 2 1 2c b n 砂轮 由于高速磨床主轴的高转速，必须考虑高转速时砂轮的离心力作用，防止 砂轮的碎裂。因为高速旋转的砂轮一旦发生碎裂，飞出的砂轮碎片能量很大， 非常危险。由于c b n 砂轮的抗褡裂和耐磨性好，在超高速壤床上得到广泛的应用。 c b n 移轮遥常有极城疆爱凝豹砂轮俸，移较薄戆一羰瘸辩维戒。具有嶷磐鹣 瓣怒将经、较裹夔瘸度、蹇好熬警燕毪、良努煞瓣热瞧、建努豹纯学稳定毪移 檄窝的硬度。这些特点使德e 渊非常适合薅予高速瘗黼。在商速密削露，詹损稷 其微小，造价相对较低，翱蔗工件精度高，具有其它磨料难以具备的一系列特 点。美国、欧洲和日本的高速磨床上无一例外采用了c b n 砂轮。 在c b n 砂轮开发设计过程中，要得到高的磨削速度，特别重要的是要使用金 属粘绐剂。单层用电镀涂层粘结的砂轮，具有较大的磨j i 歆突起和极大的容屑空 间。在超过2 0 0 m s 的高速下，w 得到最大的材料磨除率。在实用中，目前使用 电镀c 烈砂轮磨削，速度商遮3 0 0 m s 。 霹砂轮除了选择合适黪麓臻裁棼，为了适应嘉速黪瓣，还霉往髓：砂轮俸黪 鬣发。霹逶遘骞疆元分撩戆方法逶行移轮箨豹截瑟影狡凭纯，遥过去簿移轮镩 多余部分来避免多余豹应力。 2 1 3 磨削中的振动形式 磨削过程中出现的振动形式有： ( i ) 自由振动 武泼理工大学硬士学位论文 当系统受到冲击力的作用，其相对平衡状态被破坏，整个磨削系统将产生 振动，如果这种冲击力不怒谶续地作用在磨削系统上，系统的振动仅依靠其自 身的弹性回复力来维持，这种靠系统自身的弹性回复力米维持的振动就是自由 掀幼。例如磨床周围其它机械产生的冲击力，磨床砂轮架快速进退或工作台换 向时引起的振动便属于自由擞渤。自由振动的频率等予振动系统的固有频率。 囊肖阻尼存在时，振动剐逐澎衰减。 ( 2 ) 强遥振动 在井帮激握力魏持续僚麓下，系统授逵产生熬羰