（车辆工程专业论文）高精度外圆磨床主要零部件结构分析与改进研究.pdf

一。一r。誓。，“ 卅。7f，1j | i i l fl li iii ii r llul riii 19 0 7 5 0 2 s t r u c t u r a la n a l y s i sa n d i m p r o v e m e n to ft h em a i np a n si nh i g h - p r e c i s i o n c y l m d n c a lg n n o e r b y z h um i n b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 1 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m v e h i c l e i n t h e g r a d u a t es c h o o l h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rz h a n g j i a n m i n g a p r i l ，2 0 1 1 rli 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： 牲 日期：驯年期f 7 e l 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 、不保密哦 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名：球匆久日期：砂年期7 日 导师签名：jj 芳夕易弋 日期：劢，f 年广月佬瑁 高精度外圆磨床主要零部件结构分析与改进研究 摘要 装备制造业作为制造业的核心部分，是国家工业发展的基础。随着现代工业 产品的精度要求不断提高，对制造装备也提出了更高的要求。高速磨削是一种重 要的精加工工艺方法，由于具有高的加工效率和零件加工质量，受到各个国家的 广泛重视。本文以高精度外圆磨床为研究对象，以提高结构的动刚度、减轻结构 的质量为目标，对磨床的主要零部件的结构进行了分析和改进研究。本论文主要 开展了以下几个方面的工作： 首先，确定床身与地面的固定方式。将磨床零部件的结合部做等效处理，在 考虑各个结合面动力参数的基础上建立磨床整机的动力学模型，并求取床身上的 动态力。将力加到床身上，再针对不同的床身固定的方式，对其进行动态响应分 析。对结果进行对比分析确定床身的最优固定方式。 其次，在分析磨床床身低阶频率时考虑接触等非线性因素，提出了一种计算 磨床床身非线性低阶频率的方法。以磨床床身为例，将非线性频率与线性固有频 率的计算结果进行对比分析，验证了本文方法的可行性。将该方法应用于床身的 结构优化中，成功地指导了床身的结构改进。 再次，磨床是由多个零部件构成的，零部件的动态性能往往与整机的动态性 能有着直接的联系。本文建立了磨床床身和头架箱的动力学有限元模型。运用 a b a q u s 软件对其进行模态分析，找出原零件设计中的缺陷，改进其结构。最终 得到了既能够减轻零件质量，降低生产成本，又能够改善零件刚度的优化结果， 为产品的设计和改进提供了理论依据。 关键词：高速磨床；动态响应分析；非线性频率；模态分析；结构优化； l l 硕十学位论文 皇鼍目审鼍_ 目目l - - - 一i i h i - 霸 a b s t r a c t a sac o r ep a r to ft h em a n u f a c t u r i n g ，e q u i p m e n tm a n u f a c t u r i n gi s t h eb a s i so f n a t i o n a li n d u s t r i a ld e v e l o p m e n t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e r np r o d u c td e s i g n ，t h e m a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n ti s a l s op u tf o r w a r dh i g h e rr e q u i r e m e n t s a sa ni m p o r t a n t m e t h o do ff i n i s hm a c h i n i n g ，h i g h - s p e e dg r i n d i n gc a ng r e a t l ye n h a n c eg r i n d i n g e f f i c i e n c ya n da m e l i o r a t es u r f a c eq u a l i t yo fp a r t s e x t e n s i v ea t t e n t i o n sh a v eb e e np a i d t o h i g h s p e e dg r i n d i n gb y v a r i o u sc o u n t r i e s t h i sp a p e rc o n c e r n sah i g h s p e e d c y l i n d r i c a lg r i n d i n gm a c h i n e ，t oi m p r o v et h ed y n a m i cs t i f f n e s sa n dt ol o s ew e i g h t ，t h e s t r u c t u r e so ft h em a i nc o m p o n e n t si nt h eg r i n d i n gm a c h i n ei sa n a l y z e da n di m p r o v e d t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n ta n dc o n t r i b u t i o no ft h i sp a p e ra r es u m m a r i z e da s f o l l o w s ： 、 f i r s t l y , t h ew a yt of i xt h eb e di si d e n t i f i e d t h ed y n a m i c a l l ye q u i v a l e n t m o d e lo f j o i n ts u r f a c ea r ep r o p o s e d t h ew h o l em a c h i n ed y n a m i c s m o d a li sc o n s t r u c t e db y c o n s i d e r i n gt h ed y n a m i c a lp a r a m e t e r so fm a c h i n ej o i n t s ，a n dt h ed y n a m i cf o r c eo f t h e b e di sc a l c u l a t e d t h ef o r c ei si m p o s e dt ot h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h eb e d f o rt h e d i f f e r e n tf i x e dw a y so fb e d ，t h eb e d sd y n a m i cr e s p o n s ea n a l y s i s i sc a l c u l a t e d c o m p a r i s o ns t u d yo ft h er e s u l t sh a sb e e nm a d e t od e t e r m i n et h eo p t i m a la p p r o a c ht o f i xt h eb e d s e c o n d l y , am e t h o df o rc a l c u l a t i n gn o n l i n e a rl o wf r e q u e n c y o fg r i n d e rb e d sw i t h c o n t a c tb o u n d a r yc o n d i t i o n si sp r o p o s e d t a k i n gar e a lg r i n d e rb e da sa ne x a m p l e ，t h e n c wm e t h o dh a sb e e nd e s c r i b e di nd e t a i l ，a n di t sf e a s i b i l i t yv e r i f i e db yc o m p a r i n gt h e n o n l i n e a ra n dl i n e a rf r e q u e n c i e s f i n a l l y , t h ef l e wm e t h o di ss u c c e s s f u l l ya p p l i e dt o i m p r o v et h es t r u c t u r eo ft h eb e d t h i r d l y , g r i n d e ri s c o n s i s t so fan u m b e ro fp a r t s ，a n de a c hp a r t sd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c sc a na f f e c tt h a to ft h em a c h i n e t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l sf o rk i n e t i c a n a l y s i so ft h eb e da n dh e a d s t o c ka r ee s t a b l i s h e d t h em o d ea n a l y s i s i sp e r f o r m e d u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea b a q u s t h es h o r t c o m i n go ft h eo r i g i n a ls t r u c t u r e i se x p l o r e da n dt h es t r u c t u r ew a so p t i m i z e d t h eo p t i m i z a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tn o t o n l yt h ep a r t s t r u c t u r ei sl i g h t e n e dr e d u c i n gt h ec o s t so fp r o d u c t i o n ，b u ta l s oi t s r i g i d i t yi si m p r o v e d t h er e s u l t sp r o v i d et h et h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rp r o d u c td e s i g n a n di m p r o v e m e n t 1 高精度外圆磨床主要零部件结构分析与改进研究 k e yw o r d s ：h i g h s p e e dg r i n d e r ；d y n a m i cr c s o n s ea n a l y s i s ；n o n l i n e a rf r e q u e n c y ； m o d ea n a l y s i s ；s t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n i v 硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论：。1 1 1 高速超高速磨削及高精度主轴类零件外圆磨床概述1 1 1 1 高速超高速磨削技术1 1 1 2 高精度主轴类零件外圆磨床。：2 1 - 2 高速磨床结构设计方法3 1 2 1 高速超高速磨床的结构设计要求3 1 2 2 有限单元法在磨床结构设计中的应用5 1 3 本文的研究内容与课题来源。8 第2 章磨床床身上动态力的求取及垫铁的放置9 2 1 引言一9 2 2 磨床结合部的等效建模9 2 3 1 结合部动力学参数确定方法1 0 2 3 3 磨床动力学分析。1 2 2 3 垫铁的放置研究1 4 2 3 1 振型叠加法基本原理。1 4 2 3 2 垫铁个数及放置位置的确定1 6 2 4 小结1 9 第3 章磨床床身非线性频率分析研究：2 0 3 1 引言2 0 3 2 非线性的来源和非线性主频率的求取方法2 0 3 3 1 非线性的来源：2 0 3 3 2 床身非线性主频率的求取方法2 1 3 3 数值计算及分析2 6 3 3 1 床身线性频率的计算2 6 3 3 2 床身非线性主频率的计算2 7 3 4 非线性频率和线性频率对比分析3 1 3 5 小结3 2 第4 章磨床主要零部件结构分析与改进研究3 3 4 1 引言3 3 v 高精度外圆磨床主要零部件结构分析与改进研究 4 2 床身的结构分析和改进研究3 3 4 2 1 原床身有限元分析3 3 4 2 2 床身结构改进3 5 4 3 头架箱的结构分析和改进研究3 9 4 3 1 原头架箱有限元分析3 9 4 3 2 头架箱结构改进4 2 4 4 小结：。4 7 结论与展望4 9 参考文献5 1 i 1 5 c谢5 4 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录5 5 硕士学位论文 第1 章绪论 制造业是国民经济的基础产业，也是国民经济的主要来源【1 1 。近年来中国制造 业发展异常迅速，并且确立了世界制造业中心的地位。中国产业基础越做越大， 但是产品在质量上却远不及发达国家。发达国家的企业通常把初级加工转嫁给第 三世界国家，自己做精加工，然后出自主产品，赚取高额利润。为了改变这一被 动局面，为了使我国不但成为制造大国，更要成为制造强国，我们必须做好自己 的精加工技术。高速及超高速磨削以其高速、高效、高精的特点已经成为精加工 的主要工艺方法之一。自主研发性能优良的高速磨床，对于提升我国在精加工技 术领域的整体水平，对整体制造业的发展具有极其重要的意义。 1 1 高速超高速磨削及高精度主轴类零件外圆磨床概述 1 1 1 高速超高速磨削技术 磨削加工是利用磨料去除材料的加工方法，也生产上最经济的一种加工方法。 通常砂轮线速度高于4 5 m s 的磨削称为高速磨削，而砂轮线速度大于1 5 0 m s 的磨削 称为超高速磨削。高速磨削技术集现代新材料技术、制造技术、控制技术、测试 技术和实验技术于一体，是磨削加工工艺的革命性变革。高速或超高速磨削的理 论于2 0 世纪6 0 年代初由日本首先提出，之后引起了欧美等发达国家的重视，纷纷 开始了高速磨削的基础研究。超高速磨削受到世界各国的磨削专家所重视，被誉 为“现代磨削技术的最高峰 。一些国际组织( 如日本先端技术研究会、国际生产 工程学会等) 更是将超高速磨削技术列为五大现代制造技术之一，并将其确定为 面向2 l 世纪的中心研究方向之一，成为当今磨削领域最为引人注目的技术【2 】。高速 超高速磨削有以下特点【2 巧j ： ( 1 ) 磨削厚度减小，切削力下降。当砂轮速度提升以后，单位时间里通过磨削 区的磨粒数增多，从而对于每个磨粒所切下的厚度就会减小。由于每个磨粒的磨 削厚度减小，所以作用到磨粒上的切削力也会减小，总的切削力也随之减小。这 也使得高速超高速磨削有利于加工陶瓷、玻璃、镍基合金等硬、脆、难加工材料。 ( 2 ) 砂轮使用寿命长。高速超高速磨削时，磨粒上的切削力减小，使磨粒的切 削能力相对的延长，这就提高了每颗磨粒以致整个砂轮的工作耐用度。 ( 3 ) 加工精度高，磨削表面粗糙度值低，完整性好。由于磨削厚度减小，切削 力下降，磨粒在加工工件的表面所形成的刻痕变得多而浅，使得工件表面质量提 高，尤其是对于磨削细长轴的工件更有利。 高精度外圆磨床主要零部件结构分析与改进研究 ( 4 ) 加工温度低。高速超高速磨削过程中传入工件的磨削热比例远低于普通磨 削，这样可以减少工件表面的热损伤，并且减小工件表面的残余应力。 ( 5 ) 磨削效率提高。 ( 6 ) 砂轮线速度提高，砂轮的离心力也增加，为了防止砂轮在工作中不破裂， 必须提高砂轮的强度，加大结合剂的粘结能力。、 1 1 2 高精度主轴类零件外圆磨床 1 8 世纪中期，人类造出了第一台外圆磨床，磨具用石英石等天然磨料敲凿而 成，砂轮由天然磨料和粘土烧结而成。从此以后，磨削技术逐渐形成，成为了加 工工艺上的重要组成部分。随着磨削技术和制造工艺的提高，磨床磨削的精度和 速度也越来越高。近年来，由于高速超高速磨削技术从理论上取得了实质性的突 破，使得磨削技术又一次得到质的飞跃。1 9 7 2 年，日本的三井精机生产出磨削速 度为8 0 m s 的高速磨床。1 9 7 3 年，意大利法米尔公司在西德西德汉诺威国际机床展 览会上，展出了砂轮圆周速度1 2 0 m s 的磨轴承内环外沟槽的高速磨床【4 1 。1 9 8 3 年， 德国的g u e h r i n ga u t o m a t i o n 公司制造了当时世界上第一台砂轮的线速度为2 0 9 m s 的高效深磨超高速磨床。1 9 9 3 年，美国的e d g e t e km a c h i n e 公司也生产出了砂轮线 速度为2 0 3 m s 的超高速磨床。目前，在发达国家高效磨削磨床很普遍，均可以生 产应用c b n 砂轮的超高速磨床。 我国的高速及超高速磨削技术研究起步较晚。解放前，我国的磨床工业及磨 料工业几乎是一片空白。1 9 4 4 年，我国制造出了第一台外圆磨床，而直到1 9 5 8 年才开始推广高速磨削技术【6 1 。1 9 7 4 年，第一砂轮厂、华中工学院、湖南大学等 先后成功的进行了高速磨削的实验。1 9 7 5 年，南阳机床厂成功试制了砂轮线速度 为8 0 m s 的高速外圆磨床。现在我国已能设计制造高精度、高效率、机电一体化 的高速磨床，装备了我国制造业的各个部门。 高精度主轴类零件外圆磨床是一种专用磨床，是高速外圆磨床中的一种。它 主要针对主轴类零件的精加工而设计。旋转运动在机器的运动中普遍存在。从动 力源、传动结构到执行部件，实现旋转运动的主要是轴类零件。轴类零件精度、 强度的高低直接决定了机器的精度和性能高低，所以轴类零件在机器制造和机械 加工中具有十分重要的作用和应用领域，其加工方式方法和精度水平的发展直接 影响着整个机械装备制造业水平的发展。机床是机械制造业的“加工母机 ，各 类机床大量应用承担工件支承驱动、刀具支承驱动等功能的主轴类零件，主轴类 零件的强度、精度直接影响机床的加工精度、性能和使用寿命。随着国内机床装 备制造业的高速发展，高精度、高速机床大量出现，其应用的主轴类零件的加工 精度也不断提高，所以高精度主轴类零件外圆磨削技术正因其重要性而被不断发 展与应用。 2 硕士学位论文 目前高精度主轴类零件外圆磨床仅有国外公司可以生产，被称为“加工母机 中的母机”，是国外制造业制造精度的重要保证手段。主轴类零件的高精度加工 技术与工艺是世界工业强国重点研究的技术领域，其高精度加工设备也是其制造 长期技术垄断的重要砝码。高精度、高速磨削技术领域及产品是我国航天、航空、 汽车、船舶、军工等重要领域不可或缺和急需的，也是国外限制我们进口的主要 技术和产品，但在国内此领域的研究和应用还很落后。基于以上原因，如何解决 妨碍国内机床制造业快速发展的技术和设备瓶颈，实现装备制造业的自我装备升 级，是一件亟待解决的事情。开发高精度主轴类零件外圆磨床可填补该产品的国 内空白，逐步实现替代进口，将在装备保障方面促进相关产业的快速、持续发展。 1 2 高速磨床结构设计方法 1 2 1 高速超高速磨床的结构设计要求 外圆磨床主要用于磨削各种外圆柱体、外圆锥体，也可磨带肩的端面。机床 的各部分的作用及运动情况说明如下： ( 1 ) 头架，砂轮架的旋转运动，砂轮架横向进给及工作台纵向往复式移动。 ( 2 ) 中小型磨床通常有两层工作台，下工作台作纵向往复移动，上工作台能 作微小的回转调整，以磨削锥体工件。大型磨床一般由砂轮架托板作纵向往复移 动。 ( 3 ) 头、尾架起到支撑工件和定中心的作用。 高速磨削加工水平很大程度上反映在高速磨床的设计制造技术上。磨床的总 体设计包括：系统设计、逻辑设计和机床主机的结构设计。本文主要对磨床的结 构进行设计研究。高速磨床的结构设计要求可归纳为：具有大的切削功率，高的 静、动态特性和良好的抗振性能；具有较高的几何精度、传动精度、定位精度和 热稳定性；具有实现辅助操作自动化的结构部件【7 1 。为了设计出性能良好的高速磨 床，应从以下几个方面入手： ( 1 ) 提高机床的结构刚度 机床的刚度是指机床在切削力和其他力作用下抵抗变形的能力。在加工过程 中，机床不仅要承受来自自身零部件的自重，还要承受切削力、驱动力、部件加 减速时的惯性力和摩擦阻力等动态力。机床的零部件在这些力的作用下会产生变 形，如各零件接触表面的接触变形，各支承部件的弯曲和扭转变形，以及零件的 局部变形等。这些变形将使工件与刀具相对位置的改变，从而影响工件的加工质 量。 为了合理的提高机床的刚度，首先要从机床的整体结构布局上改进，尽量避 免影响机床刚度的结构出现，在容易出现大变形的地方增加辅助结构以增加其抵 3 高精度外圆磨床主要零部件结构分析与改进研究 抗变形的能力。其次要合理设计零部件的结构。构件在承受弯曲和扭转载荷时， 其变形的大小取决于断面的抗弯和抗扭惯性矩，惯性矩大的其刚度就高。在材料 和截面面积相同时，构件断面的抗弯和抗扭惯性矩很大程度上取决于截面的形状， 如方形截面的抗弯强度比圆形截面大，抗扭强度则比圆形截面小；封闭式截面的 刚度比不封闭的要大得多。合理的布置支承件的隔板和筋条也能提高构件的静、 动刚度，如对床身内部筋板的合理布置等。 ( 2 ) 提高机床的抗振性 机床的抗振性是指抵抗强迫振动和自激振动的能力。，机床的强迫振动的振源 来自机床高速旋转零件的动态不平衡力、往复运动件的换向冲击力和周期变化的 切削力等。外部振源也可通过地基传给机床，使其产生强迫振动。如果机床强迫 振动的频率与机床的某一阶固有频率重合，便会发生共振现象，使机床的加工精 度大大下降，甚至会导致无法加工工件。机床加工过程中产生的自激振动是频率 较高的不衰减振动，约占振动的6 5 【引。自激振动往往是影响加工表面质量和限制 机床生产率提高的主要障碍。 要改善和提高机床的抗振性能，首先要减少机床的内部振源，如对机床的高 速旋转的零部件进行动、静平衡，保证机床零部件的装配同轴度，给机床上的电 机、液压油泵等旋转部件安装隔振装置等。其次提高机床自身的动态刚度，这样 不仅能够避免共振的产生，而且还可以提高自激振动的稳定性极限。由于机床的 静态刚度是与它的自身质量有很大关系的，所以在提高静态刚度时，也应尽量避 免机床构件的质量增加。再次是增加构件或结构的阻尼，这样也可以提高机床的 刚度和提高自激振动的稳定性。 ( 3 ) 提高低速进给运动的平稳性和运动精度 机床各坐标轴进给运动的精度极大的影响着零件的加工精度。系统各组成环 节，特别是机械传动部件的精度决定着开环系统中的运动精度；在闭环和半闭环 进给系统中，机械传动部件的特性也对运动精度有着一定的影响。 可通过两个方面来提高迸给运动的平稳性。第一个方面是尽量减少动、静摩 擦系数之差。执行部件所受的摩擦阻力主要来自于导轨副，所以可以通过改善导 轨的摩擦特性来减小动、静摩擦系数之差，如采用塑料导轨，在导轨润滑油中添 加极性添加剂等。第二个方面是提高传动系统的刚度。缩短传动链，适当加大传 动轴的直径，加强支承座的刚度等方法都可以提高传动刚度。 ( 4 ) 减小机床的热变形 机床的热变形，特别是高精度加工机床的热变形，是影响工件表面加工质量 的重要因素。机床的内部热源是引起机床热变形的主要热源，如电机发热、摩擦 和切削热等。各处零件由于各个热源而产生的热膨胀变形不一致，这样就影响工 件的定位及精度。 4 硕士学位论文 要减小机床的热变形，首先要对机床的整体结构及布局进行合理的设计，尽 量使各部位均热；其次是减少内部热源和发热量，如减少传动轴和传动齿轮，采 用低的摩擦系数的导轨和轴承等；再次是可以改善散热和隔热条件，如采用冷却 液对热源进行冷却，将热源放置在机床之外等。 1 2 2 有限单元法在磨床结构设计中的应用 在对机床零部件或是整机的结构进行分析与优化时，主要是针对其静、动刚 度进行合理改进，以得到各方面性能更好、材料利用率更高的结构。过去，机床 结构设计都是通过材料力学、结构力学及弹塑性力学等方法，采用等效计算获得 机床零部件或整机的静、动态性能。但是这种设计方法设计周期长，需要耗费大 量的人力物力，设计的产品需要等到实际制造出来以后才能检验是否合格。一旦 产品不合格，所有流程又必须重新再来，这样就造成了很大的浪费，所以在设计 初期，设计者们一般会使用很大的安全系数，这样就造成了设计出来的产品非常 笨重，材料的潜力不能充分的发挥。随着加工精度要求的不断提高，对机床结构 的性能要求也越来越高，这种粗糙的结构计算方法已经远远不能满足设计的要求。 有限单元法的出现给这个困境带来了转机。人们可以利用数值实验的方法来检验 设计是否合格，这样做不仅时间快，并且不会造成材料上的浪费。 “有限单元的概念来源于工程上的“直接类比 方法，c l o u g h 首先使用了 这个概念，提出了一种应用于离散系统的标准方法，即有限单元法【9 1 。有限单元法 从本质上讲，就是求解场问题的分片函数逼近法【1 0 】。其基本求解思想是把连续的 求解域划分为有限个、按一定方式联结在一起的单元的组合体，选择每个单元的 求解函数的插值点，由各变量或其导数的节点值与所选用的插值函数组成的线性 表达式来表示微分方程中的变量，借助于与原问题数学模型等效的变分原理或加 权余量法，将微分方程离散求解1 1 1 】。其基本分析步骤可以归纳为【1 2 , 1 3 1 ： ( 1 ) 结构离散化。一个复杂的弹性体可以看成是由无限个质点组成的连续 体，将由无限个质点的连续体转化为有限个单元的集合体称为结构离散化。其具 体做法是：给每个单元、节点编号，建立单元与节点的编号关系；建立整体坐标 系并计算各节点的坐标值；准备好单元几何和材料特性数据。结构的离散化在有 限元分析中也叫网格的划分。网格划分是有限元分析前处理的关键，计算结果精 度和计算的速度很大程度上取决于网格的划分。理论上来说，网格划分的越细， 其分析模型越接近实际模型，计算结果也越逼近真实解。但是由于计算单元越多， 要求解的方程也越多，计算机耗费的时间就会越多，这就需要在这两者之间做 个平衡。关键的、分析所关心的区域，网格要稍密；对精度要求不高的区域，网 格可以划分的稍微稀疏一点。对于对分析结果影响不大的小的几何模型细节可以 忽略，将所有细节全部考虑进来会造成计算规模的迅速增大，对计算精度也不一 5 高精度外圆磨床主要零部件结构分析与改进研究 定会有很大的改善。在分析时，分析人员一定要充分利用工程实际中的经验和力 学方面的知识对结构进行综合考虑。单元的质量也是影响计算结果的重要因素， 单元的细长比过大，单元中的角度过尖或者是过钝都会导致计算结果出现大的误 差，有时计算甚至无法完成，这都是在网格划分时所应该注意的。由于有限元计 算时所用到的单元种类很多，每种单元都有自己的优缺点，所以在分析计算时还 要弄清楚每种单元所适用的情况。在选择不同单元组合时，还要考虑同一节点上 不同单元自由度之间的协调问题，如实体单元每个结点有6 个自由度，而壳单元 每个节点上只有3 个自由度，两者结合使用的话就会出现自由度的协调问题。 ( 2 ) 单元分析。单元分析的主要任务是建立单元刚度方程和求出单元刚度矩 阵。主要内容有：由节点位移求内部任一点的位移，由节点位移求单元应变、应 力和节点力。单元分析的基本步骤如图1 1 所示。 图1 1 单元分析流程图 ( 3 ) 整体分析。整体分析是将各个离散的单元再拼合成离散的结构体，以代 替原来连续弹性体。整体分析的基本步骤如图1 2 所示。 建寺粘体刚 引 支粼 叫一蝴卜 求单黝 度矩阵 图1 2 整体分析流程图 有限单元法于1 9 5 6 年成功的应用于飞机结构设计上面，随后经过近5 0 年的 发展，有限单元法的基础理论和方法已经比较成熟。一批由专业软件公司研制的 大型通用商业软件( 如n a s t r a n ，a b a q u s ，a n s y s a 等) 公开发行和被应用，使 其成为当今工程技术领域中应用最为广泛，成效最为显著的数值分析方法。近年 来，有限单元法被广泛的应用于机床的结构设计中来，已经成为结构分析与优化 的主要研究手段。国外在利用有限单元法对高速机床结构动态性能的研究，运用 的比较广泛。u h e i s e l 与a f e i n a u e r 利用机床动态模型模拟了振动对工件的影响， 并通过切削试验对仿真分析结果进行了修正1 1 4 j 。m a e l b e s t a w i 分析了高速铣削和 磨削相结合的加工方法，并通过有限元( f e a ) 分析求解构件的各阶模态的固有 频率和振型i l5 1 。a l t i n t a s 和c a o 建立了针对主轴系统的有限元模型，并考虑了主轴 和轴承的非线性特征1 1 6 j 。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 对机床结构的联 接形式建立了数学模型，进而建立了机床整机的有限元动力学模型，并对机床结 6 硕士学位论文 合面联接件的位置与数量进行了优化设计【1 7 】。c h i w e il i n 等利用有限元模型方法 对机床高速主轴进行了结构与热的耦合分析，并且在分析中还考虑了预载的情况 【1 8 】 o 国内此方面的研究较晚，但是近几年来也取得了很多成绩。国内的科研院所 和高校对磨床的主要零部件，如床身，主轴系统等，进行了大量的研究，并且将 有限单元法与先进的优化算法相结合对其结构进行了优化。 ( 1 ) 东南大学倪晓宇等人利用a n s y s 二次开发技术，开发完成了主轴建 模、前处理、分析和后处理及评价四个过程，用户可在没有有限元背景知识情况 下对机床组件进行有限元分析和优化，给设计带来了很大的方便【1 9 l 。 ( 2 ) 陈卫福，胡如夫等对机床进行固有频率和振型分析，计算出了各阶模 态下，刀具和工件间的相对位移最大的模态，并且对部件的结构改进，最终优化 后的磨床比原型机在动态性能方面有了较大的改进【2 0 - 2 2 1 。 ( 3 )毛海军等利用有限元建立了机床部件的动力学模型，并采用b p 神经网 络优化算法对床身筋板位置、厚度进行了结构优化设计，取得了良好的效果【2 3 1 。 ( 4 )陈新等利用有限元方法对内圆磨床的床身动态分析，通过改变筋板的 布局改善了床身动力学性能【2 4 , 2 5 】。 ( 5 )王云霞等利用有限元软件a n s y s 对床身进行了受力分析，并运用元结 构对床身的筋板结构进行了优化，使床身的动态性能有了明显的提高【2 们。 ( 6 ) 范曾等采用p r o m e c h a n l c a 分析平台对大型船用曲轴磨床进行了建 模和有限元分析，比对其头、尾架进行了结构优化设计1 2 7 1 。 ( 7 ) 文桂林，崔中等将近似模型方法和多目标优化方法引入高速磨床零部 件设计中，建立基于近似模型的高速磨床零部件优化设计方法，并以高速磨床主 轴为例，运用此方法对其质量和一阶固有频率进行优化，整个过程采用有限元模 型进行仿真计算1 2 引。 但是目前，在机床的结构优化方面的研究大多还只是停留在理论研究上，由 于其理论还不够完善，所以无法广泛应用于生产实际。在对结构复杂的零部件进 行结构改进时，往往是用有限元分析，然后根据力学方面的知识和已有经验对其 进行改进，再进行有限元分析，如此往复进行直到最终得到预期效果。虽然利用 有限元单元法对机床进行分析应用的如此广泛，但是还是还是存在很多问题。其 最主要的是建立正确分析模型的问题。受到计算规模的限制，往往要对分析模型 进行一定的简化，如去掉零件上的小特征，将一些非线性因素用线性取代等，这 样的简化稍有不慎便会造成分析结果的错误。在机床的整机动态特性分析时，许 多关键的基础参数，如机床结合部的动态特性、阻尼系数等，通常是依赖于经验 值，特别是在建模过程中，甚至直接采用商业分析软件的默认值。这些都是利用 有限元法对机床结构进行分析时所应该重点注意的地方。 7 高精度外圆磨床主要零部件结构分析与改进研究 1 3 本文的研究内容与课题来源 本文以高精度主轴类零件外圆磨床为研究对象，应用有限元方法对高速磨床 结构设计中的一些问题进行探索和研究。本文首先对磨床垫铁的放置情况进行分 析，其中需要确定磨床零部件结合面之间的动力学参数，建立磨床动力学模型。 然后在前面确定的边界约束条件下对磨床床身的非线性频率进行研究，并与床身 的线性频率做对比分析。最后针对磨床主要零部件的结构进行改进研究，以提高 其动态特性，减少其质量，节约生产成本。以下为本文的主要研究内容： ( 1 ) 磨床床身上动态力的求取及垫铁的放置 为了确定磨床垫铁的放置，首先建立磨床的动力学模型，对磨床结合部进行 等效建模，将磨床零部件结合面之间的联结关系用弹簧阻尼单元等效替换，继而 求出床身上的动态力。然后将动态力加载到床身上，在选定的几种垫铁放置方式 情况下的对床身进行动态响应分析，对结果进行对比，得出最优的垫铁放置方案。 ( 2 ) 磨床床身非线性频率分析研究 床身是放置在垫铁上面，并没有固定，而是靠自身的重量和摩擦力来限制其 移动的。一般在床身的结构分析，对其位移边界条件的处理是约束放置垫铁地方 的自由度，这是将一个非线性问题直接转化为线性问题处理。本文针对这一情况 对床身进行研究，将放置垫铁处直接用接触代替，地面假设为刚体，然后对床身 进行非线性频率分析，并与线性频率对比，得出非线性因素对分析结果的影响情 况。 ( 3 ) 磨床主要零部件结构分析与改进研究 本文主要针对磨床床身的头架箱进行结构分析与改进，以提升其动态特性和 减轻质量。由于目前的优化方法还不完善，所以本文首先根据工厂实际经验以及 力学方面的知识对其结构进行改进，然后采用方案类比法来确定最优方案。 本文课题来源于国家8 6 3 计划资助项目“高精度主轴类零件外圆磨床 ( 课题 编号：2 0 0 8 a a 0 4 2 5 0 7 ) 。 8 硕士学位论文 第2 章磨床床身上动态力的求取及垫铁的放置 2 1 引言 磨床的床身是整个磨床的基础支承件，它的性能对整个磨床起着重要的作用， 床身的动、静刚度会直接影响到工件加工的表面质量。高精度主轴类零件外圆磨 床的导轨与床身做成一体，直接铸造而成，砂轮架和头、尾架均直接放置在床身 上，这样使得床身的结构变得更加重要。由于磨床是直接放置在垫铁上面，靠自 重来约束其移动，所以怎样放置垫铁和放置多少会直接影响到床身的各方面性能， 进而影响到磨床整机的动态特性。要确定磨床垫铁的具体放置，就需要求取磨床 工作时床身上激振力的分布与大小。将激振力加载到床身上，然后选取几组不同 的垫铁放置情况，利用有限元法对床身进行动态响应分析，找出位移响应较小，并 且振动幅度较大的地方远离床身关键区域的那组，最终确定垫铁的放置。 2 2 磨床结合部的等效建模 要求得床身上的激振力，首先要对整个磨床建立动力学模型。磨床是由许多 零部件联结而成，各零部件之间存在着许多结合面，这使磨床本身不再具有连续 性，磨床结构的建模变得复杂化。在建模过程中，将磨床各零部件当作刚性体处 理，这就使磨床结合部的处理显得十分重要。机床是由许多零部件按一定要求结 合起来的，所谓“结合部 就是零部件之间结合的部位。机床上的结合部分为可 动的和固定的j 像工作台与床身的导轨结合、轴和轴承的结合等就属于可动结合 部；像各个零部件间的螺栓连接，锥度配合等则属于固定结合部。无论是可动结 合还是固定结合，在机床振动时，外加的复杂的动载荷都会使接合面之间产生微 小的多自由度、有阻尼的振动，即产生相对位移或转动，使得结合部既存储能量 又消耗能量，表现出既有弹性又有阻尼的特性。结合部产生这种特性的原因主要 是由于机械制造的误差使零件的接触表面不再是理想的平面接触。从微观上看， 这些接触表面是凹凸不平的，机械加工在表面上留下了微小的峰谷。当两个表面 相结合时，微观表面上较高的轮廓峰顶首先接触，载荷首先由这些顶峰承受，随 着结合面的进一步靠近，原来的接触处迅速弹性或是塑性变形，较低的峰点开始 接触，两个面之间的接触面积增大，刚度和阻尼也随着增大。结合面之间的润滑 油膜也会增强其弹性、阻尼特性。 从定性分析出发，人们将结合部等效为若干弹簧和阻尼器构成的动力学模型， 9 高精度外圆磨床主要零部件结构分析与改进研究 这是一个虚拟的等效模型。基于这种等效模型，磨床的某个结合部的不同结合条 件和结合状态，则可以通过选用不同的结合点数目、每个结合点的自由度数以及 每个自由度的等效弹簧刚度和等效阻尼来满足。影响结合部特性的因素众多，如 结合面的材料、表面的质量以及结合面之间的介质和法面压力大小等，这使得获 得其特性参数变得非常复杂。近几年来，国内此方面进行了很多研究，如王琳琳，刘 宇飞等对机床固定结合面等效刚度系数和阻尼系数的研究【2 9 1 ，张广鹏等对机床导 轨结合部的动态特性解析方法的研究【3 0 j 等。 2 3 1 结合部动力学参数确定方法 要建立结合部等效动力学模型首先要根据结合部的结构形式、联接条件等， 将结合部简化为点联接组合的等效动力学模型。对于结合面接触面积较大的应选 用多个结合点来模拟结合面上的结合状态，因为此时接触面上的压力会很不均匀； 对于结合面积小的，接触面上的压力分布的比较均匀，可以仅用一个结合点来代 替结合面【3 1 1 。每个结合点的自由度数取决于机床振动时结合面间可能产生的相对 位移。其次是要确定各个联接点弹簧、阻尼器的数值。结合部等效动力学参数的 确定，属参数识别问题。影响结合部动力特性的因素很多，目前确定结合部等效 参数的方法可归为以下三类1 3 2 j ： ( 1 ) 理论计算法。通过理论分析和动态测试，获得结合部的特征参数，建立 相应的特性参数数据库及分析计算表达式。其常用