（机械设计及理论专业论文）超高速平面磨床的构造特征及动态特性研究与结构优化.pdf

硕士学位论文 摘要 超高速磨削对提高生产效率、降低加工表面质量有显著效果，是当前磨削技 术的发展趋势。开发和研制性能优良的超高速磨床是发展超高速磨削加工的首要 条件。 本文阐述了国内外高速加工、尤其是超高速磨削技术的发展状况和目前设计 开发高速机床采用的先进方法。并探讨了超高速磨床区别于普通磨床的构造特 征、开发设计超高速平面磨床的技术路线、其结构的性能要求和其高刚度支撑结 构的设计要点。在此基础上，提出了提高磨床动态特性的三种方法。 用有限元法研究机床整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，而超高速磨削的高速性和更高的动态性能要求更需 要如此。本文重点以1 5 0 m s 超高速平面磨床为研究对象，建立其整机的有限元 模型，并进行模态分析，得到前几阶的固有频率和振型。从提高整机的抗振性能 出发，根据计算结果，分析得到改进床身结构可改善整机的动态性能，并提出了 床身的改进方案，并研究了结合部参数对整机性能的影响。 本文还以提高床身和立柱的刚度为目标，分析它们不同结构对其动力特性的 影响。通过研究指出床身可通过减少开窗的数目以及封闭其中纵向的筋板，立柱 可通过加翼的方法来改善其动力特性。这些结论为超高速平面磨床结构的优化设 计提供了可靠的依据。 关键词：超高速平面磨床：高速加工：整机；结构设计；动态特性；模态分析； 优化设计。 超高速平面磨床动态特性的研究与结构优化 a b s t r a c t t h eu l t r ah i g h s p e e d g r i n d i n g i st h ec u r r e n tt r e n di n g r i n d i n go w i n gt o i t s h i g h e rp r o d u c t i v ee f f i c i e n c y a n dl o w e rs u r f a c e r o u g h n e s s d e s i g n i n g t h eu l t r a h i g h s p e e dg 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 s p a p e r , t h ed e v e l o p m e n t o fh s mt e c h n o l o g ya th o m ea n d a b r o a d ， e s p e c i a l l yo ft h eu l t r ah 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 dm e t h o d sf o rd e s i g n i n g h i g h - s p e e dg r i n d e ra r ei n t r o d u c e d ，a sw e l la 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 eu l t r a s p e e d h i g hs p e e dg r i n d e rw h i c hi sq u i e td 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 e t e c h n i c a ll i n ef o r d e v e l o p i n g t h e h i g h - s p e e d s u r f a c e g r i n d e r ，t h e s t r u c t u r a l p e r f o r m a n c er e q u i r e m e n ta n d s o m ep o i n t s d e s i g n i n g i t sb a s e ds t r u c t u r eo f h i g h r i g i d i t y w h a t sm o r e ，t h r e em e t h o d s t oi m p r o v et h ed y n a m i cb e h a v i o ro ft h eg r i n d e r a r ep r e s e n t e d i nt h ec u r r e n ts t a t eo ft h ea r t ，c a l c u l a t i o no fs t a t i ca n dd y n a m i cb e h a v i o u ro f m a c h i n et o o l sr e q u i r e st 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 ea n dc o m p o n e n t sb y t 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 y t oi m p r o v ea n do p t i m i z et h em a c h i n e t o o l ss t r u c t u r ea n dd e v e l o pn e wp r o d u c t s ，w h i c hi s b a d l yn e e d e df o rd e v e l o p i n g u l t r ah i g h - s p e e dg r i n d e rb e c a u s eo fi t s h 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 eu l t r ah i g h s p e e ds u r f a c eg r i n d e rw h i c hr u n n i n ga t1 5 0 m si so u r r e s e a r c h o b j e c t f i r s t l y , i t s f i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h e c o m p l e t e m a c h i n ei s c r e a t e d ，m o d ea n a l y s i s i sc a r r i e d o u t ，a n d t h e ni t ss e v e r a ll o w e s tn a t u r a l f r e q u e n c i e sa 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 gi t s v i b r a t i o n r 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 da c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t i o n r e s u l t s h e n c et h ei m p r o v e m e n tp r o j e c to fb 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 t o ft h e j o i n t sp a r a m e t e r so nt h eg r i n d e r sd y n a m i c s b e h a v i o ri sa l s oi n v o l v e di nt h i s p a p e r a i m e da tt h e r 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 e e f f e c t so f d i f f e r e n ts t r u c t u r e sa r e a n a l y z e d b ys t u d i e s ，i t i si n d i c a t e dt h a tb e t t e r d y n a m i c b e h a v i o rc a nb eo b t a i n e d b yr e d u c i n gt h en u m b e ro fw i n d o w sa n dc l o s i n gt h e l e n g t h w a y s r i b sf o rb e d a n d a d d i n gw i n g s f o rc o l u m n r e s p e c t i v e l y a l l t 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 rt h eo p t i m i z a t i o nd e s i g no fs t r u c t u r e so f t h eu l t r ah i g h - s p e e ds u r f a c eg r i n d e r 硕士学位论文 k e yw o r d s ：u l t r ah i g h s p e e ds u r f a c eg r i n d e r ；h 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 e d 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 ；o p t i m a ld e s i g n m 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 贺乒日期：舛年，月昭日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：贺丘、 导师签名： 日期：么j q 乒年r 月 8 日 日期：伽。气年f g 曰 1 i 论文的研究背景 第1 章绪论 处于工业中心地位的制造业，特别是装备制造业，是国民经济持续发展的 基础，是工业化、现代化建设的发动机和动力源，是在国际竞争中取胜的法宝， 是技术进步的主要舞台，是提高人均收入的财源，是国防安全的保障，是发展现 代文明的物质基础。 当前，全球经济正处于一个根本性的变革时期，人类社会正在由工业经济 时代步入知识经济时代。在以高科技产业为主要支柱、以智力资源为主要依托的 知识经济条件下，制造业正在发生革命性的变化，制造技术正在发生质的飞跃， 出现了数控技术、超高速加工技术、精密和超精密加工以及虚拟制造等先进制造 技术。特别是高速加工技术是当今先进实用的制造技术，正成为切削加工的主流， 具有强大的生命力和广阔的应用前景。 i 1 1 高速切削加工技术 高速切削加工( h i g hs p e e dm a c h i n i n g ，h s m ，或h i g hs p e e dc u t t i n g ，h s c ) 是继数控技术之后使制造技术产生第二次革命性飞跃的一项高新技术。 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于德国切削物理学家c a r lj 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 切削速度范围内，切削温度随着切削速度的增大而提高。对于每一种工件材料， 存在一个速度范围，在这个速度范围内，如果切削温度过高，刀具就无法承受， 切削加工不可能进行。但是，当切削速度再增大，超过这个速度范围以后，切削 温度反而降低。同时，切削力也会大幄下降。按照他的假设，在具有一定速度的 高速区进行切削加工，会有比较低的切削温度和比较小的切削力，不仅有可能用 现有的刀具进行超高速切削，从而大幅度地减少切削时间，成倍地提高机床的生 产率，而且还将给切削过程带来一系列的优良特性n ：1 。 里1 1 奎高速切削加工技术的定义 高速切削加工技术中的“高速”是一个相对概念。对于不同的加工方法和工 件材料与刀具材料，高速切削加工时应用的切削速度并不相同。如何定义高速切 酎加工，至今还没有统一的认识。目前沿用的高速切削加工定义有以下几种l l , 3 ： 超高述平面磨床的构造特征及动态特胜研究与结构优化 ( 1 ) 1 9 7 8 年，c i r p 切削委员会提出以线速度( 5 0 0 7 0 0 0 ) m m i n 的切削速 度加工为高速切削加工。 ( 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 10 0 m m i n ；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 - 1 0 ) 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( 主轴轴承孔直径d 与主轴 最大转速n 的乘积) 来定义高速切削加工。d n 值达( 5 - 2 0 0 0 ) 1 0 5 m m r m i n 时为高速切削加工i “。 ( 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 义高速切削和超高速切削加工，用于a n s i a s m e 标准切削性能试验时切削速度 范围的选择。该定义取决于振动主模态的固有频率。将切削加工按速度分为四种； 低速、中速、高速和超高速加工。 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度和普通切削速度的对照表 。 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 i 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 t r a i n )，( f t m i n )( f t m i n )，( f l r a i n ) 1 0 0 01 0 0 0 02 。0 0 01 2 0 0 0 铝 ( w c + p c k ) 刀具( w c + p c k ) 刀具 p c d 刀具r w c + p c k ) 刀具 灰铸铁5 0 0 1 2 0 01 2 0 04 0 0 0 球墨铸铁 3 5 08 0 08 0 03 0 0 0 碳钢3 5 0 1 2 0 01 2 0 02 0 0 0 合金钢2 5 08 0 0 7 0 01 2 0 0 不锈钢3 5 05 0 0 5 0 09 0 0 淬硬钢8 0 4 0 01 0 0 ( w c )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 52 0 0 1 5 03 0 0 、 注：l 、w c 一一硬质合金刀具；p c k 一一金刚石镀层硬质台金刀具；c b n 一一立方氮化 硼刀具。 2 、1 f t = 0 3 0 4 8 m 。 硕士学位论文 1 i 1 3高速切削加工技术的优越性 由于切削速度的大幅度提高，最明显的效益是提高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，高速切削具有下列优点： ( 1 ) 随切削速度提高，进给速度也相应提高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 倍，甚至更高，从而切削加工时间大大减少。同时机床快速空程速度的大幅 度提高，也大大减少了非切削的空行程时间。因而高速切削大幅度提高加工效率， 降低加工成本。 ( 2 ) 在高速切削加工范围，随切削速度提高，切削力随之减少，根据切削速 度提高的幅度，切削力平均可减少3 0 以上，有利于对刚性较差和薄壁零件的切 削加工。 ( 3 ) 高速切削加工时，切屑以很高的速度排出，带走大量的切削热，切削速 度提高愈大，带走的热量愈多，大致在9 0 以上，传给工件的热量大幅度减少， 有利于减少加工零件的内应力和热变形，提高加工精度。 ( 4 ) 从动力学的角度，高速切削加工过程中，随切削速度的提高，切削力降 低，而切削力正是切削过程中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固有频率，而工件的加工表面粗糙度对低阶固有频率 最敏感，因此高速切削加工可大大降低加工表面粗糙度。 1 1 2 超高速磨削加工技术 目前通常将砂轮线速度v 。为0 - 4 5 m s 的磨削称为普通磨削，4 5 1 5 0 m s 的磨 削称为高速磨削，而1 5 0 m s 的磨削称为超高速磨削( u l t r ah i g h s p e e dg r i n d i n g ) a 超高速磨削技术是磨削工艺本身的革命性跃变，德国著名磨削专家t t a w a k o l i 博士将其誉为“现代磨削技术的最高峰”，国际生产工程学会( c i r p ) 将超高速 磨削技术确定为面向2 l 世纪的中心研究方向之一【5 】。 1 - 1 2 1超高速磨削技术的兴起 自2 0 世纪3 0 年代萨洛蒙理论提出后，美国、德国、日本等都以不同的方式 对超高速加工机理及技术进行了有益的探索，获得了大量研究成果。这些成果对 启示超高速磨削的机理和工艺，尤其对于超高速磨削技术的实用化起到了直接的 推动作用。 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 大学冈村健二郎教授于2 0 世纪6 0 年代初首次提出了高速磨削理论。不久德国 a e e h e n 大学的h o p i t z 发表了速度为6 0 m s 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到8 0 - 9 0 m s ，少数磨床砂轮线速度达到了1 2 0 m s 。 超高选平面磨床的构造特征及动态特性研究与结构优化 但高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 原因，砂轮强度和机床制造等相关技术也使得高速磨削技术在一段时间内进展缓 慢m “。 自8 0 年代中后期，特别是进入9 0 年代以来，以德国超高速强力磨床f s 1 2 6 为主导的超高速磨削技术的突破性进展使人们意识到一个新的磨削时代已经到 来。随着砂轮速度的提高，目前磨削去除率己猛增到了3 。0 0 0 m m 3 m m ，s 甚至更 多，从而最终可与车、铣、刨等切削加工相媲美，而且实现了对难磨材料的高性 能加工f 5 j 。 1 1 2 2 超高速磨削的工艺基础 用表征磨屑几何特征的参数来分析提高砂轮速度对磨削加工性能的影响，这 里引进其中一个参数一一最大磨屑厚度h 。，它的值由公式( 1 1 ) 决定。 k ( 州对 ( 1 1 ) 式中：h 。为最大磨屑厚度； c 。为砂轮形貌常数； v 。为工件速度； v 。为砂轮线速度； a 。为磨削进给； d 。为砂轮当量直径； e 为系数( o ) 。 当保持其它参数不变，只增加砂轮线速度v 。，结果使磨屑厚度h 。：减小， 从而导致作用在每颗磨粒上的切削负荷降低。减小磨屑厚度有助子改善表面质 量、降低粗糙度，降低每颗磨粒上的切削负荷可有效抑制砂轮磨损的发展。从上 面的分析得到：其它因素保持不变，提高砂轮线速度可降低磨削力。当机械结构 的刚度较低时，这对改善工件的尺寸形状精度有显著作用。 另一方面，如果成比例地增加工件速度v 。和砂轮线速度v 。，最大磨屑厚度 h 。；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 最大的优点是。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量，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，采用不同商速磨削工艺【7 】。 l 1 。2 3 超高速磨削的优点 由于磨削速度的大幅度提高，和普通磨削相比，超高速磨削具有以下突出优 点： - 4 - 硕士学位论文 1 、大幅度提高磨削效率 采用陶瓷结合剂砂轮，以1 2 0 m s 的磨削速度，磨除率可达5 0 0 1 0 0 0 m m 3 m m s ，比普通磨削高1 0 0 1 0 0 0 倍，比车削和铣削高5 2 0 倍。如果 采用c b n 砂轮，以1 2 0 m s 的磨削速度磨削，则可获得更高的磨除率川。 2 、明显降低磨削力，提高零件加工精度 随着磨削速度的增加，切向磨削力和法向磨削力减小，并且磨削比随着速度 的增加而增加1 7 。 3 、降低工件表面粗糙度值，获得高光洁的加工表面 在其他条件相同时，磨削速度越高表面粗糙度越小。 4 、砂轮寿命延长 由于每颗磨粒上所承受的切削负荷减少，则每颗磨粒的磨削时间大大延长， 可提高砂轮的使用寿命。如在磨削力不变时，2 0 0 m s 超高速磨削时砂轮寿命比 8 0 m s 高速磨削高一倍；而在磨削效率不变条件下则砂轮寿命可延长7 8 倍州。 5 、对硬脆材料实现延性域磨削 许多工程材料如陶瓷、微晶玻璃等以及其它难加工材料在工业中的应用不 断增加，其中有些材料目前只能用磨削加工。超高速磨削实现的极小的磨粒切深， 可以使陶瓷等硬脆材料以塑性变形形式产生磨屑，大大提高磨削表面质量。另外， 超高速磨削对高塑性和难磨材料也有良好的磨削表现。 1 1 3国内外高速加工和超高速磨削加工技术的现状 1 1 3 1国内外高速加工机床的现状 高速切削加工的理念从2 0 世纪3 0 年代初提出以来，经过半个多世纪的理论 与实验研究和探索以及刀具和机床技术的研究与发展，直至近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、 高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、美、日等工业发达国家从 理论与实验研究进入工业应用阶段并迅速发展。目前，适应h s c 要求的高速加 工中心和其他高速数控机床在发达国家已星普及趋势，并已在航天航空工业、汽 车和模具工业得到了广泛的应用，并取得了极其显著的技术经济效益。表1 2 列 出近年来国际市场出现的高速加工中心和虚拟轴机床部分著名品牌。 我国于2 0 世纪8 0 年代起开展对高速切削技术的研究，并取得了一定的成果， 但与发达国家还有一定的差距。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。由洛阳轴承研究所开发的高速电主轴也已商品化。在 c i m t 2 0 0 1 中国国际机床展览会上，高速机床进一步显示了持续增长的势头，我 国展出了技术性能稳定的主轴最高转速超过1 0 ，0 0 0 r m i n 的高速机床2 0 台，其中 超高速平面磨床的构造特征及动态特性研究与结构优化 中捷友谊厂的机床最高转速达到4 0 ，0 0 0 r m i n 。大连机床公司生产的高速加工中 心，快速进给达到6 2 m r a i n ，加速度l g ，同时他们还展出了一台五轴联动并联 机床，主轴转速达2 0 ，0 0 0 r m i n ，三轴快速进给达8 0 m m i n ，加速度1 5 。 表1 2 国外部分高速加工中心和虚拟轴机床“1 制造厂家( 国机床名称主轴最高 最大进给 主轴驱动 别)和型号 转速( r r a i n )速度( m r a i n ) 功率k w i n g e r s o l l h v m 8 0 0 型 2 0 0 0 07 6 2 4 5 ( 美) 卧式加工中心 m i k r o nv c p 7 1 0 型 4 2 ，0 0 0 3 01 4 ( 瑞士) 加工中心 e x - c e l l ox h c 2 4 1 型 2 4 0 0 0 1 2 0 4 0 ( 德) 加工中心 m a z a ks m m 2 5 0 0 u h s 5 0 。0 0 0 5 04 5 ( 日)型加工中心 r e n a u l tu r a n es x 4 0 ，0 0 0 1 0 01 5 a u t o m a t i o n 三轴铣床 1 1 3 2 超高速磨削技术国内外最新进展 1 、国外高速、超高速磨削装备的发展和现状 过去由于受砂轮回转破裂速度的限制，以及磨削温度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 年代初日本首先提出高速 磨削理论以来，尤其随着c b n 磨料的广泛使用和高速磨削机理研究的深入，超 高速磨削技术在欧洲、日本和美国等发达国家发展很快。 早在2 0 世纪6 0 年代末期，欧洲实验室磨削速度已达2 1 0 2 3 0 m s 。2 0 世纪 7 0 年代，已有砂轮线速度1 2 0 m s 的实用高速磨床。德国的g u e h r i n g a u t o m a t i o n 公司1 9 8 3 年制造了功率6 0 k w 、转速1 0 。0 0 0 r m i n 、砂轮直径4 0 0 m m 的强力磨床。 目前，在欧洲已经实际应用的高速磨削的砂轮线速度达到了2 0 0 2 5 0 m s ， 德国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 型并联运动机床， 采用f i s h e r 公司的最高转速达4 0 ，0 0 0 r r a i n 的电主轴，适当改变配置和增加外围 设备可用于各种加工，如磨削、铣削、镗削和激光加工等，。在日本，实用的磨 削速度已达到了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 的实验室超高速平面磨床【6 】。表1 3 列出了国外高速和超高速 磨床。 硕七学位论文 表1 3 国外高速和超高速磨床旧7 ， 制造厂家机床类型及用 线速度 主轴功磨除率进给速度 砂轮类型 ( 国别)途 r i g s率 ( 、vm m - m m s b o s c h 加工齿轮高精密电镀粘 15 5 8 1 1 ( 欧踟 轮齿结c b n k a p p加工水泵转子窄电镀粘结 3 0 01 4 0 ( 德国)槽 c b n b r i g g s s t r a t t o n 电镀粘结 加工曲轴1 2 3 5 4 x r m t e r ( 美国) c b n s c h _ _ m m t t c r 4 1 c b n 超高 1 6 5c b n ( 德国)速曲轴磨床 g u e h r i n g h ) 6 1 3 超高速平 a u t o m a t i o n 1 5 0c b n 3 面磨床 ( 德国) 2 、超高速磨削发展方向 目前超高速磨削朝以下两个方向发展：超高速高效深磨技术和超高速精密磨 削技术。 ( 1 ) 超高速高效深磨 对于提高磨削生产率方面，最典型的应用是高效深磨技术。该技术在欧洲和 美国得到广泛应用。由于缓进给深磨增加了磨屑长度，从而可获得高的金属切除 率，因此在沟槽磨削、成形磨削、平面磨削和外圆磨削中都有应用。使用砂轮连 续修整技术后，使缓进给深磨更臻完善。在c b n 砂轮应用的基础上，集超高速 ( 兰1 5 0 m s ) 、高进给速度( 0 5 1 0 ) m r a i n 和大切深( o 1 - 3 0 ) m m 为一体的高效深 磨技术，是超高速磨削在高效磨削方面应用的典型【1 0 】。可以通过一个磨削行程， 完成过去由车、铣、磨等多个工序组成的粗耪加工过程。其加工表面粗糙度与普 通磨削相当，但磨除率却比普通磨削商l o o 1 0 0 0 倍。现在应用的砂轮线速度已 经达到8 0 2 5 0 m s ，工件进给速度达到i 2 5 m m i n ，磨削深度达到0 1 3 0 m m a 高效深磨可直观地看成是缓进给磨削和超高速磨削的结合。 ( 2 ) 超高速棒密磨削 精密超高速磨削在日本应用最为广泛，它的磨除率普遍维持在6 0m m m s 以下。超高速精密磨削是采用超高速精密磨床，并通过精密修整微细磨料磨具， 采用亚徽米级以下随切深和洁净的加王环境来获得亚徽米级以下的尺寸精度。使 用微细磨料磨舆是精密磨削的主要形式。用于超精密镜面磨削的树脂结合剂砂轮 超高速平面磨床的构造特征及动态特性研究与结构优化 的金刚石磨粒的平均粒径可小至却m 。超精密研磨通常选用粒度只有几纳米的 研磨微粉，达到极高表面质量。表1 4 列出各种磨削工艺的参数对比。 裹1 4 各种磨削工艺的效率及参数范围f 5 磨削方式超高速磨削 普通磨削缓进给 磨削参数 精密超高速瘩削高效深磨 切削深度a 。大人 ，m mo 0 0 1 o 0 5 o 1 3 0 o 0 0 3 0 0 5 0 1 - 3 0 工作台速度v 。高低高高 m m i n 一1 3 00 0 5 0 51 ，o 1 00 5 1 0 砂轮线速度v 。低低高高 m s 2 0 6 02 0 6 0l o o 2 0 01 5 0 2 0 0 磨削效率q 。 低低中高 m m 3 ( i n m s ) 。10 ，1 1 00 1 1 0 6 05 0 3 0 0 0 3 、国内超高速磨削技术的发展 我国对高速磨削及磨具的研究已有多年的历史，如湖南大学在7 0 年代末期 便进行了8 0 m s 、1 2 0 m s 的磨削工艺实验；东北大学近年来完成了线速度为 2 0 0 m s 的超高速试验磨床的改制。所以说高速磨削技术还只是实验而已，尚未 走出实验室，技术还远没有成熟，特别是超高速磨削的研究还开展得很少。在实 际应用中，常用的砂轮线速度v 。为3 0 6 0 m s ，目前最高砂轮线速度达到 8 0 m s t , n - ：】。湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心多年来致力于高速磨削和 高速磨床的研究和开发，已研制出1 5 0 m s 超高速平面磨床和3 1 4 m s 超高速平面 磨削试验台。它们都采用了电主轴和c b n 砂轮，主轴驱动功率分别达到2 0 k w 和4 0 k w 。最高转速分别达1 2 ，0 0 0 r m i n 和2 4 ，0 0 0 r m i n 。15 0 m s 的超高速平面磨 床如图1 1 。 圈1 11 5 0 n t s 的超高速平面磨床图1 23 1 4 m s 的超高速平面磨削试验台 硕士学位论文 1 2国内外超高速机床动态特性的研究现状 机床静、动态性能是衡量机床设计方案优劣的一项重要的性能指标。机床的 静、动态特性包括：机床的零部件和整机的静态变形、固有频率及其相应的振型 和强迫振动时的响应等。机床结构的静、动态特性对机床加工性能的影响很大， 不仅影响机床的加工精度、使用寿命，也影响着其高效率性能的发挥。因此必须 了解超高速平面磨床的静、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 析与试验模态分析相结合的方法 1 3 1 4 。 与普通磨床相比，超高速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 外机床制造厂家所高度重视，其具体结构的优化设计方法始终是厂家的技术机 密。 随着先进的测试技术和装置的发展，出现了数据采集器和数据分析软件软、 硬件结合的试验手段。并且有限元方法发展很快，出现许多商用优秀的有限元软 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。 1 2 1 国内机床整机动态特性研究的现状 国内还仅限于普通的机床研究，对高速或超高速机床的动态特性的研究还罕 见报道。一般采用以下三种方法研究机床的关键零部件或艇机的性能。 1 、对整机进行机床静剐度试验、机床抗振性即动刚度试验。 ( 1 ) 昆明理工大学杜奕用试验方法对m s y 7 1 t 5 平面磨床进行动态特性研究， 用电磁相对激振法激振和稳态正弦共振激励法，分别得到砂轮与工件接触点处的 幅频特性图和磨床的各阶模态振型l 。 ( 2 ) 广西大学陈文锋、毛汉领对m x b s 一1 3 2 0 型高速外圆磨床的动态性能使 用脉冲激振法进行了试验研究，得到磨床前几阶模态的频率和振型图，寻找出机 床振动的薄弱环节和主要振源，并提出一些机床改造的措施】。 用试验方法设计机床新产品一般采用的步骤是：样机一一试验一一修改图纸 一一样机。它是一个不断反复的过程，周期长、耗资大。 2 、对主要零部件进行有限元分析，优化零部件结构的设计 ( 1 ) 东南大学和无锡机床股份有限公司对内圆圆磨床m 2 1 2 0 a 床身结构进行 有限元分析，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【1 7 】。 ( 2 ) 上海理工大学李晓燕对m k 7 1 5 0 平面磨床的床身用有限元法进行静刚度 分析，找出影响机床加工精度的床身发生最大变形的部位l 】。 超高速平面磨床的 ! j 造特征及动态特性研究与结构优化 用有限元方法分析结构计算速度快、精度较高，更重要的是能在设计阶段就 可以通过分析找出薄弱环节，再进行重新设计，直到获得满意的设计。但是机床 是由多个零部件通过各种给合部组成的复杂结构，仅对个别零部件进行分析，还 无法全面反映机床整体的性能。因此要准确预测机床的动态性能，就必须对整机 进行动力学分析。 3 、建立整机的动力学模型并进行动力分析 下面用有限元方法对机床整机的动态特性进行了分析研究，由于目前还没有 分析机床整机性能的商用软件，寻求精确可行的计算方法是机床结构设计中的一 个重要而迫切的要求。 ( 1 ) 北京理工大学覃文洁、左正兴用有限元法分析了机床整机的动态特 性。首先在软件i d e a s 建立机床主要零件的几何模型，并生成整机的有限元网 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，这样就形成整机的有限元模型，在a n s y s 进行模态 分析得到各阶固有频率，并采用模态叠加法进行了谱响应分析得到机床主轴下端 三个方向的动柔度幅值曲线m 1 。 该方法采用有限元方法，并在商品化软件进行建模和分析，效率和精度高， 但在机床结合部的处理上较繁琐。 ( 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 机床进行整机动态建模，并编制了相应的整机动态性能预测解析软件。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 2 0 - 2 1 l 。 该方法采用分布质量梁模型，需要进行大量的编程工作，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、孙庆鸿在a n s y s 软件上建立高精度内圆磨床m 2 1 2 0 a 整机结构动力学模型和动力学分析。在建模过程中，分别采用体单元、弹簧一阻 尼单元和3 d 梁单元、三维接触单元和弹簧一阻尼单元模拟主要零部件、转子系统 和结合部口2 一 】。 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，其效率和精度高， ( 4 ) 昆明理工大学廖伯瑜建立了平面磨床m m y 7 1 3 2 整机的有限元模型，并 对该模型进行动力分析，得到整机各阶频率和振型】。 ( 5 ) 北京工业大学陈卫福对“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。它与有限元法结合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间在各阶固有频率下的相 对动位移，从而找到相对位移量最大的模态。该方法已运用到对高速机床t h 6 9 0 5 卧式加工中心的动态分析中【2 5 t ，】。 硕十学位论文 该方法与整体有限元分析相比，精度相当，但计算速度高。 ( 6 ) 北京机床研究所开发了机床整机综合特性预测的a m t p o s 软件包。其计 算核心是有限元方法。先建立各机械零部件的有限元模型并形成相应的凝聚模 型，再叠加各零部件之间联接单元的参数值即可形成整机模型。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或功能模块。静态特性预测主要预测其综合静刚度， 动态持性主要是优势固有频率及其动柔度幅值、极限切深。热特性主要预测主轴 箱部件的温升和热变形情况j 。 1 2 2 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及整机进行动态特性分析，并己用于高速机床的开发和 研究中。 西班牙的m z a t a r a i n 用有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 两种商用软件，建立包括床身、立柱、头架及它们之间的滚动 导轨结合部在内的整机模型，并进行了模态分析，可以通过几种方案的比较，选 择其中较合理的结构m 1 。 韩国科学技术高级学院j u n g d 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【3 0 1 ，并用有限元法对高速铣床的滑块结构进行分析，得 到一种新型的夹层复合结构，不仅减轻质量，还提高了它的阻尼系数即，。 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 床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1 6 ，0 0 0 r m i n 和2 4 ，0 0 0 r m i n 。为了提高机床的动态性能和优化机床的结构，建 立了两台加工中心的整机的有限元模型。经过计算，得到机床在静态受力时的整 机变形和刚度，两台加工中心的x 、y 和z 三个方向的整机的静态刚度分别达到 3 0 n “m 以上f ”1 。 美国国家标准技术学院t l s c h m i t z 用试验和解析相结合的方法建立高速机 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【3 6 - 3 7 】。 1 2 3 机床整机动态特性研究方法的发展趋势 综上所述： ( 1 ) 要准确地预测机床的动态性能，就必须对整机进行动力学分析： ( 2 ) 用有限元方法是研究机床动态性能的有效手段。因此用有限元法研究 机床整机的动态性能是开发和设计机床的趋势。 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 超高速平面磨床的构造特征及动态特性研究与皇占掏优化 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经济有效的途径。利用试验模 态分析结果检验、补充和修正原始有限元动力学模型；利用修正后的有限元模型 计算结构的动力特性，再进行结构的优化设计。用这种方法可以在机床方案及图 样设计阶段，通过建模、仿真、分析、修改、优化，就能准确预测其动态性能。 1 3 研究内容与意义 超高速平面磨床的研究与开发是一项庞大的系统工程。其性能是决定超高速 平面磨床研发成败的关键。对于高性能的高速机床，在设计开发阶段，正确预测 整机的动态性能是保证机床设计质量和提高开发成功率的关键技术。 有限元法已经成为现代高速机床开发中的重要支撑手段，发挥着越来越大的 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，保证综合性能达到最优化，以提 高机床开发质量，缩短开发周期。因此采用有限元法与试验模态分析法相结合的 方法研究超高速平面磨床整机的动态特性，对于新机床结构动态性能的改善、加 工精度的提高、开发周期的缩短和开发成本的降低无疑是十分重要的。 本课题来源于教育部2 0 0 1 年的重大项目( 0 2 1 7 ) 超高速精密数控磨削关 键技术及工艺实验装置研究和湖南省2 0 0 1 年的科技攻关项目超高速精密平 面磨削装备研制及产业化，课题的研究对象为1 5 0 m s 超高速平面磨床，研究内 容为该磨床整机的动态特性研究，拟采用有限元方法。本文的主要研究任务就是 建立超高速平面磨床整机的有限元模型，研究超高速平面磨床整机的固有频率和 振型，在此基础上，找出影响磨床动态性能的零部件，提出结构改进方案，并分 析结合部参数对整机的动态特性的影响，为超高速平面磨床的结构设计和优化提 供指导。 本文的章节内容安排如下： 第一章绪论，综述了国内外高速加工、超高速磨削技术的发展状况，和国内 外研究机床动态特性的方法和手段，并介绍了本文研究内容和研究采用的方法。 第二章论述了超高速平面磨床区别于普通磨床的基本构造、开发设计超高速 平面磨