（动力机械及工程专业论文）数控镗铣床动态特性研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 镗铣床铣削曲面之后 加工表面上出现表面波纹度 对此现象进行分析 刀具铣 削工件的过程中 切削振动是影响到加工工件表面质量的重要因素之一 切削过程与 机床振动系统两者相互影响并通过相互方位关系相联结 机床振动系统主要与机床结 构有关 因此对机床结构进行研究 找出其结构固有特性 可指导机床结构的动态改 进设计 减小机床的切削振颤 从而提高机床的生产效率 切削力是切削过程中一个重要参数 是研究 机床 刀具 系统 建立铣削加 工仿真模型和动力学分析的基础 论文考虑到球头铣刀本身复杂的刀具形状特点 在 对国内外球头铣刀铣削力仿真研究的基础上 建立了铣削力仿真模型 详细阐述了铣 削力模型系数的求解过程 利用m a t l a b 编制计算求解软件 实现了铣削力系数的求 解功能 并对球头铣刀加工过程典型工况进行铣削力仿真 本文运用有限元软件a n s y s 建立了t x 6 9 1 6 大型落地式镗铣床整机有限元模型 对机床固定结合面的形式 等效动力学建模等进行了讨论 用理论计算法来识别结合 面等效动力学参数 主轴和方滑枕系统是机床铣削过程中最重要的组成部分 对主轴 及轴承组件进行有限元建模并对其进行了模态分析 建立方滑枕有限元模型 研究其 无阻尼自由振动 获得固有频率和相应振型 采用锤击法对镗铣床进行动态响应试验 通过对试验测试数据和有限元计算结果 对比分析 验证了有限元模型的合理性 并对误差原因进行了讨论 结合动态试验分 析结果 对机床结构提出了优化改进建议 利用前期仿真的铣削力对镗铣床动力学模型进行了瞬态动力学分析 求出振动位 移与切削时间之间的变化关系 各部件瞬时变形情况 研究了刀具安装方式 主轴 伸长量对球头铣刀振动的影响 关键词 球头铣刀 有限元 主轴 方滑枕 模态分析 瞬态动力学分析 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a bs t r a c t t h em a i nf a c t o r so fi n f l u e n c i n gs u r f a c eq u a l i t ya r ea t t a i n e db ya n a l y z i n gs u r f a c e w a v i n e s so fb o r e da n dm i l l e ds c u l p t u r e ds u r f a c e c u t t i n gv i b r a t i o n sa r ea ni m p o r t a n tf a c t o r w h i c ha f f e c t st h eq u a l i t yo ft h ew o r k p i e c es u r f a c e c u t t i n gp r o c e s sa n dm a c h i n ev i b r a t i o n s y s t e mi n t e r a c ta n di n t e r c o n n e c tw i t he a c ho t h e r m a c h i n ev i b r a t i o ns y s t e mi sm a i n l yr e l a t e d t ot h es t r u c t u r e s t u d yo fs t r u c t u r eo ft h em a c h i n et o o la n df i n dt h ei n h e r e n tc h a r a c t e r i s t i c s c a ng u i d et h ed e s i g n r e d u c et h em a c h i n e sc u t t i n gt r e m o ra n di m p r o v et h ep r o d u c t i v i t yo f m a c h i n et o o l s c u t t i n gf o r c ei sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e ri nt h ec u t t i n gp r o c e s s i t st h eb a s i so f r e s e a r c h i n g m a c h i n e t o o l s y s t e m e s t a b l i s h i n gm i l l i n gs i m u l a t i o nm o d e la n dt h ed y n a m i c a n a l y s i s t a k i n gi n t oa c c o u n tt h ec o m p l i c a t e ds h a p ec h a r a c t e r i s t i c so fb a l l e n dm i l l i n g a s i m u l a t i o nm o d e lo fm i l l i n gf o r c ei se s t a b l i s h e dr e f e r e n c et ot h er e s e a r c ha th o m ea n da b r o a d n l ep a p e rh a se l a b o r a t e dt h es o l u t i o np r o c e s so ft h em o d e lc o e f f i c i e n t p r o g r a m e dc o m p u t i n g s o f t w a r eu s i n gm l a t l a b i th a sf i n i s h e dt h es i m u l a t i o no f m i l l i n gf o r c e s t h ep a p e ru s e sa n s y st oe s t a b l i s haf i n i t ee l e m e n tm o d e lo ft h et x 6 916c n c m i l l i n g m a c h i n e t h ef o r ma n dt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fr e a l o i n ta r ed i s c u s s e da n dt h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o na r ea p p l i e dt oi d e n t i f yi t sd y n a m i cp a r a m e t e r s s p i n d l ea n ds q u a r er a ms y s t e ma r e t h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t so fc u t t i n g t h ep a p e ru s e sa n s y st oe s t a b l i s haf i n i t e e l e m e n tm o d e lo fb e a r i n g s p i n d l es y s t e ma n dd ot h em o d a la n a l y s i s af i n i t ee l e m e n tm o d e l o fs q u a r er a mi se s t a b l i s h e da n dt h en o n d a m p e df r e ev i b r a t i o ni ss d u d i e dw h i c ho b t a i n s n a t u r a lf r e q u e n c i e sa n di t sc o r r e s p o n d i n gv i b r a t i o nm o d e s d y n a m i cr e s p o n s ee x p e r i m e n tw i t ht h em e t h o do fh a m m e re x c i t a t i o ni sd o n et om i l l i n g m a c h i n e c o m p a r i n gt e s td a t aa n dt h er e s u l t so ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ft h es p i n d l ea n d s q u a r er a m t h er e s u l t sv e r i f yt h er e a s o n a b l e n e s so ff i n i t ee l e m e n tm o d e l t h e nt h ep a p e r d i s c u s s e st h er e a s o n sf o rt h ee r r o ra n dp r o v i d e sp r o p o s e dm e a s u r e sf o ri m p r o v e m e n to ft h e s t r u c t u r eo fm i l l i n g b o r i n gm a c h i n e i th a sc a r r i e do u tt h et r a n s i e n td y n a m i ca n a l y s i so ft h em i l l i n gm a c h i n em o d e lw i t ht h e s i m u l a t i o no fm i l l i n gf o r c e s t h er e l a t i o nb e t w e e nv i b r a t i o nd i s p l a c e m e n ta n dc u t t i n gt i m e c a nb ed e p i c t e da n dt h ee f f e c t so fb a l l e n dm i l l i n gv i b r a t i o ni n v o l v e di nt h ed o n g a t i o no f a r b o ra n ds p i n d l eh a sb e e ns d u d i e d k e y w o r d s b a l l e n dm i l l i n g f i n i te l e m e n t s p i n d l e s q u a r er a m m o d a la n a l y s i s t r a n s i e n td y n a m i ca n a l y s i s 西南交通大学四南父逋大罕 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 权西南交通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 在 年解密后适用本授权书 2 不保密匦适用本授权书 请在以上方框内打 寸 学位论文作者签名 侈豳专 指导教师签名 复 日期 凇 口年 月 日 日期 年月 日 西南交通大学硕士学位论文主要工作 贡献 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下 在对国内外球头铣刀铣削力仿真研究的基础上 建立了铣削力仿真模型 详细阐 述了铣削力模型系数的求解过程 利用m a t l a b 编制计算求解软件 实现了铣削力系 数的求解功能 并对球头铣刀加工过程典型工况进行铣削力仿真 运用有限元软件 a n s y s 建立了t x 6 9 1 6 大型落地式镗铣床整机有限元模型 对机床固定结合面的形式 等效动力学建模等进行了讨论 用理论计算法来识别结合面等效动力学参数 主轴和 方滑枕系统是机床铣削过程中最重要的组成部分 对主轴及轴承组件进行有限元建模 并对其进行了模态分析 建立方滑枕有限元模型 研究其无阻尼自由振动 获得固有 频率和相应振型 采用锤击法对镗铣床进行动态响应试验 通过对试验测试数据和有 限元计算结果对比分析 验证了有限元模型的合理性 并对误差原因进行了讨论 结 合动态试验分析结果 对机床结构提出了优化改进建议 利用前期仿真的铣削力对镗 铣床动力学模型进行了瞬态动力学分析 求出振动位移与切削时间之间的变化关系 各部件瞬时变形情况 研究了刀具安装方式 主轴伸长量对球头铣刀振动的影响 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师指导下独立进行研究所得的成 果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包括任何其他个人或集体己经发表或撰 写过的研究成果 对本论文的研究做出贡献的个人和集体 均已在文中作了明确的说 明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 文作 号馥湾 日期 劢厶年乡月2 h 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景 1 1 1 目前数控机床的发展趋势 数控机床是现代机械制造业的关键设备 一个国家数控机床的产量和技术水平在 某种程度上就代表这个国家的制造业水平和竞争力 数控技术的发展 关系到国家工 业战略地位和综合国力水平 数控机床拥有量和年产量是衡量一个国家制造业现代化 水平的重要标志 它是世界各国竞相发展的重要产品 国内外市场竞争非常激烈 当 今世界数控机床的发展趋势主要有以下几个方面 1 2 1 高速 高精度和高可靠性 新的切削理论认为 当切削速度达到一定程度后 切削区温度不再上升 并且切 削力反而会减小 机床向高速化方向发展 可充分发挥现代刀具材料的性能 不但可 以大幅度提高 m v 效率 降低加工成本 而且还可以提高零件的表面加工质量和精度 为此 日本先端技术研究会将其列为5 大现代制造技术之一 国际生产工程学会 c i i 冲 将其确定为2 1 世纪的重点研究方向之一 从精密加工发展到超精密加工 是世界各工业强国致力发展的方向 其精度从微 米级到亚微米级 乃至纳米级 有些情况要求主轴回转精度要求达到o 0 1 0 0 5 9 m 其 应用范围日趋广泛 当前 机械 m r 高精度的要求如下 普通的 r o t 精度提高了一倍 达到5 9 m 精密 m i 精度提高了两个数量级 超精密加工精度进入纳米级 0 0 0 1r t m 加工圆度为0 1l l m 加工表面粗糙度r a 要求为0 0 0 3 9 m 等 高可靠性是指数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上 当 前国外数控装置的m t b f 平均故障间隔时间 m e a nt i m eb e t w e e nf a i l u r e s 值己达 6 0 0 0h 以上 驱动装置达3 0 0 0 0h 以上 表现出非常高的可靠性 2 智能化 开放性 柔性化 功能部件的标准化与模块化 2 1 世纪的数控机床将是具有一定智能化的系统 智能化主要体现在追求加工效率 和加工质量方面的智能化 如加工过程的自适应控制 工艺参数自动生成 提高驱动 性能以及使用连接方便方面的智能化 如前馈控制 电机参数的自适应运算 自动识 别负载自动选定模型 自整定等 简化编程 简化操作方面的智能化 如智能化的自 动编程 智能化的人机界面等 还有智能诊断 智能监控方面的内容 方便系统的诊 断及维修等 为了解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题 应该 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 设计生产开放式的数控系统 它已经成为数控系统的未来之路 目前许多国家对开放 式数控系统进行研究 如美国的n g c 欧共体的o s a c a 日本的o s e c 中国的o n c 等 所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上 面向机床厂 家和最终用户 通过改变 增加或剪裁结构对象 数控功能 形成系列化 并可方便 地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中 快速实现不同品种 不同档次的 开放式数控系统 形成具有鲜明个性的名牌产品 网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点 数控机床的网络化 将极大地满足生产线 制造系统 制造企业对信息集成的需求 也是实现新的制造模 式如敏捷制造 基础虚拟企业 全球制造的单元 国内外一些著名数控机床和数控系 统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机 如在汉诺威e m 0 2 0 0 1 电加工机床 展品展中 日本山崎m a z a k 公司展出的c y b e r p r o d u c t i o n c e n t e r 德国s i e m e n s 公司展 出的o p e nm a n u f a c t u r i n ge n v i r o n m e n t 等 反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋 势 数控机床技术向高效 复合 智能 环保的方向发展 主机水平的不断提高 要 求数控机床的功能部件 数控系统 主轴单元 滚珠丝杠 伺服电机 数控刀架等 必须与之相应迅速提高 以解决数控机床发展的瓶颈问题 满足数控机床水平快速发 展的需要 数控机床功能部件主要是指数控系统 主轴单元 数控刀架和转台 滚珠 丝杠和滚动直线导轨等滚动部件 刀库和机械手 高速防护罩等六大块 它们是数控 机床的重要组成部分 功能部件技术水平的高低 性能的优劣以及整体的社会配套水 平 都直接决定和影响着数控机床整机的技术水平和性能 也制约着主机的发展速度 实现功能部件的标准化与模块化设计 要求加速数控机床功能部件的发展 加速数控 机床功能部件的发展首先要求加大对功能部件的标准化投入 功能部件产业的发展需 要有先进的标准作保证了同时要提高功能部件产品的性能和水平 以适应整机发展的 需要 3 工序集约化 工序集约化 即在一台机床上尽可能加工完毕一个零件的所有工序 同时又保持 机床的通用性 能够迅速适应加工对象的改变 工序集约化的发展方向即是研制不同 加工能力不同生产能力的复合加工机床 复合加工机床是把不同工种加工集中在同一 台机床上 这样可以大大缩短零件的生产周期 降低生产成本 是近年来制造技术发 展的重要趋势之一 目前欧洲复合加工技术的发展是以异质技术的复合为主流 以德 国为代表的企业将以下几种复合化技术应用在机床加工中 车削 磨削加工 超声波加 工技术 磨削 电加工 铣削 棒材加工 铣削 激光加工 多轴自动车床 滚刀切削头 和晰磨 激光加工等 而日本最近复合加工机床的发展趋势是完全工序集中方式 使用 为主体的模式化方式和磨台自动回转方式等 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 1 2 国内数控机床的发展现状 我国是世界上机床产量最高的国家 但目前在国际市场竞争中仍处于较低水平 在国内市场也面临着严峻的形势 一方面国内市场对各类机床产品特别是数控机床有 大量的需求 而另一方面却有不少国产机床滞销积压 国外机床产品却占有大量市场 份额 国产数控机床市场占有率逐年下降 1 9 9 9 年是3 3 6 2 0 0 3 年仅占2 7 7 而 进口额逐年上升 1 9 9 9 年为8 7 8 亿美元 7 6 2 4 台 2 0 0 3 年达2 7 1 亿美元 2 3 3 2 0 台 相当于同年国内数控机床产值的2 7 倍 数控机床的技术水平 性能和质量与国 外还有很大差距 到目前为止 国内技术含量较低的简易数控车床仍占主导地位 高 档数控机床及功能部件大多数依靠进口 3 1 之所以国内机床产品与先进国家同类型机床还存在各方面的差距 主要原因在于 对新技术的应用相对滞后 劳动生产率低下 科研投入少 基础研究薄弱 新产品开 发滞后等 常规的机床设计通常只考虑机床结构的静态特性而忽略了其动态特性的研 究 而机床的动态性能对机床的加工精度和加工效率具有非常重要的意义 特别是对 一些大型高效高精度机床 因此 为缩小我国机床行业与国外同行业水平 进行机床 结构动态特性的研究对机床行业的发展具有积极意义 4 1 2 切削振动的研究现状 在金属切削加工过程中 刀具与工件间常常出现相对振动 相对振动根据其成因 可分为两种 5 由外界引起的强迫振动和由切削本身引起的自激振动 也叫颤振 相 对振动会降低工件的加工表面的质量 影响刀具乃至机床的使用寿命 对于切削振动的研究可以追溯到上个世纪初 通过最初的研究 人们获得一般性 的概念是 切削振动来源于反复出现的切削力波动 如果切削力波动频率与机床某一 固有频率相同的话 可能出现共振 而颤振发生的原因主要有切削过程方面和机床结 构方面 6 其中 在切削过程方面可能导致颤振发生的原因中 切削力的变化对刀具与 工件间振动 尤其是切削厚度方向上的振动有直接关系 是引起颤振的关键性因素 2 0 0 6 年 陈勇 刘雄伟等人 7 发表的论文中 以圆柱螺旋立铣刀顺铣加工为例 通过铣削加工动力学方程 对铣削振动进行有效仿真 根据模态分析试验获得传递函 数模型 计算得出铣削力信号 求解刀具振动位移 李沪曾等人 8 建立了机床结构多自 由度等效系统运动微分方程 通过r u n g e k u t t a 方法求解出微分方程 得到系统积分方 程 应用数值积分和简单迭代方法求解 2 0 0 3 年韩兴瑞 6 在发表的论文中 以机床切 削振动模型为基础 改进非线性机床切削振动模型 采用等步长迭代 提高计算精度 李亮 查文伟 9 对薄壁零件加工过程中切削振动因素进行初步分析和探讨 建立了加工 铣削力模型 模型局限于薄壁零件加工的 刀具 工件 系统 利用有限元软件进 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 行模态分析 并从工艺角度出发 选择合理的切削用量 李沪曾等人 1 0 还就端铣振动 过程中出现的铣削振动进行跟踪 分析现象产生的原因 为选择改变切削用量 减小 铣削振动指出了方向 虽然球头铣刀广泛应用于模具和曲面形状工件的加工 但是由于球头铣刀铣削加 工过程的机理比较复杂 对有关曲面加工振动理论的解析和切削振动发生条件报道不 多 1 3 机床动态特性研究概述 机床优良的加工性能又与其动态性能紧密相关 机床切削时的振动和变形 不仅 会影响机床的动态精度和工件的表面质量 而且还会降低生产效率和刀具的耐用度 甚至会降低机床的使用寿命 振动所产生的噪声还会影响工作环境 对于数控机床来 说 振动的威胁是更大的 剧烈的振动将使数控机床的驱动装置 检测装置不能正常 的工作 且不像普通机床那样经常有人看管 因而数控机床产生的振动不易及时发现 并采取相应的措施 现代制造业要求高精度 低粗糙度的高自动化精密机床 设法提 高机床的动态性能 减少和避免振动的发生 保证机床在额定功率范围内使用时都不 会发生自振 这是机床产品的一项重要研究内容 许多研究表明 随着机床加工性能 的不断提高 对机床动态性能的要求也愈来愈高 垣野议昭早在1 9 7 8 年就提出 颤振 和热变形是影响加工精度和加工效率的主要因素 l l 德国阿亨工业大学的m 韦克教授 在7 0 年代曾较系统地论述了鉴定机床动态特性的意义 1 2 机床动态特性的研究包括了动力分析和动态设计两个主要部分的内容 1 3 动力分析就是在已知系统的动力学模型 外部激振和系统工作条件的基础上分析 研究系统的动态特性 对机床而言 其动力分析主要指机床抵抗振动的能力 和其他 的机械结构一样 机床振动也是结构弹性体振动问题 研究内容包括机床结构的自由 振动频率 固有频率 及其相应的振型和强迫振动时的响应等静 动态特性的计算 动力分析问题进行了多年的研究 已经形成了比较完整的理论 出现了能适用于不同 情况的各种分析计算方法 即使是比较复杂的系统 其动力分析也可以得到比较准确 的结果 动态设计是根据设计要求 建立系统的数学模型 在设计过程中寻求一个经济 合理的结构 动态优化设计比动力分析更为复杂 但两者之间是互相联系的 事实上 尽管目前已经提出了一些动态优化设计的方法 但大多将动态设计问题转化为动力分 析问题进行处理 因此 对机床进行动力分析是十分必要的 机床结构动态特性的研究方法大体可以分为理论研究方法 试验研究方法和理论 与试验相结合的研究方法 理论研究方法是按照设计图纸 建立机床结构的动力学模 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 型 根据这个模型进行分析 综合和计算 边分析边改进设计 逐步达到预先给定的 设计要求 试验研究方法是对机床的具体结构进行动态测试 根据测试数据进行动力 分析 找出限制机床动态性能提高的薄弱环节为改进设计提供依据 两种相结合的方 法是以测试数据为基础 建立机床结构的动力学模型 再根据这个动力学模型进行动 力分析和动力设计 这样做可以预测改进设计的效果 有效地达到改进设计的目的 下面就这三种方法做简单介绍 1 4 1 理论研究方法 早在1 9 6 4 年m a l i t b a c k t a y l o r 和t o b i a s 就提出了关于摇臂 钻床刚度计算的研究报告 提出了用简单梁元素连接集中质量 建立机床结构动力学 模型的方法 并计算出了与实测值比较一致的固有频率和振型 这种方法的问题在于 如何以简单合理的力学模型来模拟复杂的机床结构 而且在进行复杂结构的动力分析 时 精度比较低 虽然这种方法存在很大的缺陷 但它却指引着后来的学者努力的方 向 之后很多学者进行了相关的研究 特别是m y o s h i m u r a 和t h o s h i 等进行了一系列 有价值的进一步研究 1 9 7 1 年m y o s h i m u r a 和t h o s h i 建立了单柱刨铣床不包括结合 面在内的分布质量梁动力学模型 并从能量平衡的原理对机床结构进行了优化设计 同年 国际生产工程研究协会c i r p 对用分布质量梁和集中质量建立机床动力学模型的 方法发起了联合研究 联邦德国 日本 英国比利时许多国家学者参加了研究 具体 对象是卧式铣床 研究结果比较一致 并对计算过程中产生的误差及各种计算程序的 效率进行了研究 得出的结论指出 采用理论方法建模时 力学模型的确定 直接影 响分析计算的结果 机床的结合面参数处理办法不同 也会导致不同的分析结果 为 了提高分析精度 用更接近于实际结构的模型来进行机床的动态特性的研究 首先是 s t e p h e n 把有限元应用于机床结构的建模中 有限元建模和集中质量分布质量梁建模是 两种各不相同的方法 为了综合两种方法的优点 h s a m yk u r o d a 和m s a g a r a m w e e k 等人用有限元和分布质量梁相结合的方法建立了车床的整机动力学模型 编制 了相应的计算机程序 对车床的动态特性进行了分析和计算 1 9 7 5 年m y o s h i m u r a 综 合了集中质量 分布质量粱和有限元模型的特点 研究出了用于三种子结构组成的动 力学模型及计算机程序 用这个程序对双坐标锉床的动态特性进行了分析和优化 1 引 2 0 0 1 年张广鹏等采用均质梁 集中质量及结合部单元对机床进行了整机理论建模 并 在基础上计算了固有频率 通过和试验结果进行对比 得出两者基本一致的结论 从 理论分析的角度出发 建立机床的动力学模型是力求在机床设计图纸的基础上 经过 抽象 简化来建立机床的动力学模型 并由此进行动态特性的分析和结构优化设计 1 6 显然 这种方法是机床结构设计中要实现的最终目标 这样可以缩短产品的研制周期 降低研制费用 2 试验研究方法 试验模态分析技术通过系统辨识理论 模态分析理论把理论 分析和动态测试结合起来 是一种很实用的技术 在试验模态分析技术的理论分析方 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 面 由于引进了控制理论中的传递函数的概念 建立了描述系统动态特性的传递函数 和模态参数解析的统一理论基础 使得模态分析理论自七十年代以来发展很快 出现 了许多种模态参数的识别方法 目前模态分析技术主要应用于三个方面 改善产品的 抗振性能 试验与理论分析相结合的组合结构分析以及结构动力修改 模态分析技术的发展推动了由试验数据建立系统动力学模型方法的发展 试验建 模的方法可以分为两类 类是根据动态测试数据直接识别振动结构的物理参数 建 立起系统的动力学模型 一类是以模态参数为基础的办法 1 9 7 4 年r m m a i n s 和 w e n o o n a n 首先提出了不利用模态参数 直接用测试得到的传递函数夹识别系统的物 理参数 这个方法比较简单 但当自由度较大时 对于测量数据的误差十分敏感 较 小的测量误差就会导致很大的识别误差 虽然可对测量数据作平滑处理和调整 使识 别精度得到提高 但是还需要进一步的完善 目前 应用较多的是以模态参数为基础 的方法 它主要分为两个步骤 首先根据试验数据识别出机床结构的模态参数 然后 采用坐标变换法 识别出机床结构的物理参数模型 1 9 7 6 年j t l u e t y 等人利用第二种 办法建立了五自由度的立铣动力学模型 模型的分析结果与试验数据能够较好地一致 但是 由于受到激振试验中能够激起的振动模态较少的影响 试验建立的机床动力学 模型的阶数相应较小 因而利用低阶的动力学模型是很难真实的模拟理论上具有无限 自由度的机床实际结构 即使模拟结果真实 低阶动力学模型的优化结果也不容易分 配到由较多零部件组成的机床具体结构中 对于完整模态 可用坐标变换法识别出物 理参数 这种方法的精度完全取决于模态参数的识别精度和矩阵求逆的误差 随着结 构复杂性的增加 一般从试验数据得到的是复模态 s r i b r a h i m 在1 9 8 2 年提出了一个 从复模态中识别主模态 进而根据主模态识别出结构的物理参数方法 试验建模要求 将设计的系统做成模型或实物 因而它适用于验证设计阶段 此外 由于试验只能提 供结构系统有限几个低阶模态 并且试验模型不便于将模态参数转化为实际可以修改 的结构尺寸参数 因此 单单靠这种方法进行机械结构的优化设计是不现实的 3 综合研究方法 七十年代中期以来 人们将有限元法和模态分析技术有机地 结合起来 发挥各自的长处 以得到能确切反映实际 实用的动态特性分析技术 利 用测试得到的较准确的模态参数来修正理论模型 使修正后的理论模型能够确切地模 拟结构的动力特性 在这样的动力学模型基础上进行分析和优化设计 就能够充分发 挥理论分析的作用 a b e r m a n 在1 9 7 1 年提出了不完整的动力结构模型理论 并在1 9 7 5 年和1 9 7 9 年不断加以完善 b e r m a n 方法的优点是不需要计算特征值和特征向量 用 试验数据特征向量和频率来修改理论计算的质量 刚度矩阵 直接得到结构参数 这 个方法是基于模态正交理论 1 9 9 5 年我国的彭晓红对b e r m a n 的算法提出了一个改进 算法 使修正矩阵也具有带状性质 这样使计算得到简化 这些方法的共同特点是 认为试验得到的数据与分析数据有一个很小的变化 它们只引起原分析系统的一个很 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 小的摄动 具有测试值是原系统分析值与摄动值和这样一种关系 根据试验数据与分 析数据的变化量来估计结构参数的变化 1 9 8 3 年jc c h e r t 提出了从模态试验结果中直 接识别结构物理参数的方法 这种方法是基于完整模态理论 往往测出的模态数据不 是完整的 测出的模态数低于理论模态数 1 9 9 3 年 刘晓平和徐燕申将模态分析和有 限元法相结合识别结合面动力学参数 并基于此建立了整机的动力学模型 2 0 0 1 年 东南大学利用有限元的方法建立机床整机动力学模型 并利用动态测试分析及优化参 数法对有限元模型进行了修正 从而保证有限元模型的建模精度 l 1 4 课题的选题背景及研究意义 本课题来自德阳市重点科技研究项目 校企合作项目 数控加工中加工波纹的消 除技术与系统开发 项目编号 2 0 0 6 g g 0 0 2 德阳嘉龙机械制造有限公司和四川工程 职业技术学院合作设计生产制造的t x 6 9 1 6 大型落地式镗铣床 主要用于冶金 矿山 通用机械 各型机架箱体等大中型零件的镗铣自u 粗精加工 在对样机进行攘4 试过程中 发现曲面加工后出现波纹 为此需要对该型落地式镗铣床动态特性进行仿真和试验分 析 加工工件曲面圆弧上出现的表面波纹度如图1 1 所示 瓤 图1 1 加工工件曲面圆弧上出现的表面波纹度 针对曲面加工后出现的波纹度 影响的因素很多 在加工过程中随时都会受到各 种因素的干扰 比如 机床结构缺陷 切削振动 切削参数的变化 工件材质不均造 成的材料微观硬度变化 刀具磨损造成的几何参数的变化等 随着加工零件的形状复杂化 对其加工的难度也越来越大 这主要是曲面的加工 过程难于把握和控制 铣削加工过程是由 机床 刀具 工件 构成的各种影响 因素综合作用的系统 在曲面切削加工应用过程中 球头铣刀是曲面加工中应用最广 的刀具之一 对球头铣刀的研究有助于对曲面加工过程的控制和把握 从而提高曲面 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 的加工质量 球头铣刀振动对于铣削曲面的表面质量产生很大的影响 在铣削加工过 程中 球头铣刀刀具的振动是不可避免的 这样的振动对于曲面加工出来的表面质量 肯定产生影响 带来一定的负作用 在加工过程中 设法减少或控制刀具的振动是直 接改善加工表面质量的关键之一 机床的加工精度和效率是机床设计追求的两大目标 机床的结构刚度直接影响零 部件的加工精度 而结构的动态特性决定机床的生产效率 在机床承受大切削用量加 工的情况下 制约机床生产率的主要因素是机床的切削振颤 颤振属于机床的自激振 动 与机床结构及切削条件有关 切削过程与机床振动系统两者相互影响并通过相互 方位关系相联结 机床振动系统主要与机床结构有关 因此对机床结构进行研究 找 出其结构固有特性 可指导机床结构的动态改进设计 减小机床的切削振颤 从而提 高机床的生产效率 1 5 主要研究内容 在企业调研的基础上 对目前数控加工过程中出现加工波纹的问题进行分析 经 过充分的研究 认为主要因素是铣削加工的振动问题 反观铣削加工过程 选择 机 床 刀具 系统为研究目标 明确研究目标之后 本课题的研究内容主要有 1 分析球头铣刀刀具受力情况 优选文献 2 3 1 中建模方法 建立球头铣刀铣削力模 型 独自编制计算软件 结合铣削力试验数据 求解铣削力模型系数 并对球头铣刀 加工过程典型工况进行铣削力仿真 2 镗铣床动力学建模 结合加工实际情况 对t x 6 9 1 6 落地镗铣床进行动力学建 模 采用有限元的方法对其主要零部件进行模态分析 3 镗铣床动态特性试验分析 通过振动试验测试数据和有限元计算结果对比分析 验证有限元模型的合理性 并对误差原因进行讨论 提出机床结构的优化改进建议 4 镗铣床强迫振动分析 对镗铣床动力学模型进行瞬态动力学分析 研究刀具安 装方式 主轴伸长量对球头铣刀振动的影响 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 1 引言 第2 章球头铣刀铣削过程分析 球头铣刀的切削力建模是研究球头铣刀铣削工件的关键技术 对于分析铣削过程 设计机床 优化加工参数变量具有非常重要的意义 近些年来 国内外许多研究学者 加大了对球头铣刀铣削过程的研究 2 1 1 国内球头铣刀铣削力的研究现状 1 9 9 8 年 马万太等学者基于切削力和切屑负载之间的经验关系 19 1 通过对球头铣 刀的微分化方法 建立刀具的基本切削力模型 着重分析了刀具的径向跳动对径向未 变形切屑厚度的影响 同年 冯志勇等提出了广义铣削力模型 2 们 2 0 0 2 年阎兵 张大卫等 2 l 在发表的论文中 针对铣削加工中经常应用到细长杆铣 刀铣削的特点 建立了考虑刀杆柔性的球头铣刀铣削过程的动力学模型 并讨论了在 交变轴向力作用下刀杆的固有频率变化 此外 他们还在发表的论文里采用理论分析 和实验方法相结合 给出一种新的螺旋刃球头铣刀铣削力模型 2 2 1 李洪江 2 3 1 在论文中 也利用了微分化处理 将切削刃沿着轴向划分成多个切削微元 并分析此微段上的切 削力 建立了满足任意进给方向的球头铣刀铣削力模型 金艳丽 2 4 在论文中 阐述了 铣削力建模主要有几方面 刃线几何模型 刀刃微元上的局部切削力模型和基于局部 切削力和刀刃切削区间计算的整体铣削力模型 并用理论建模方法通过公式的计算和 推导 建立铣削力模型 姜彬 郑敏利等人 2 5 在发表的论文中 针对球头铣刀铣削过程的特点 通过对球 头铣刀铣削微元切削层参数的描述 分析了切削层厚度对刀具主切削力的影响 采用 微分化方法建立了球头铣刀切削力数学模型 在建立的球头铣刀主切削力数学模型中 方实现球头铣刀切削力的准确预报和铣削参数的优化奠定了基础 2 0 0 6 年 张滢 梁万勤等人 2 6 在研究刀具瞬时变形和刀具变形的再生反馈对切削 厚度影响的基础上 建立了包含主轴偏心 刀具磨损 刀具振动和工件振动的球头铣 刀切削力模型 并通过切削试验验证了所建立的动态铣削力模型的正确性 这一动态 铣削力模型为下一步研究铣削加工精度和表面粗糙度奠定了基础 徐超辉 阎兵 2 7 在发表的论文中研究了高速加工过程中球头铣刀的铣削力特性 通过运用理论建模法和经验系数法 并引入高速切削时引起切屑动量改变所需的作用 力 建立高速切削条件下球头铣刀的铣削力模型 并通过试验验证了模型的正确性 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 1 2 国外球头铣刀铣削力的研究现状 1 9 9 1 年 韩国的m y a n g 和h p a r k 在 机床与制造国际杂志 上公开发表了球头 铣刀建模的思想 2 引 他们的研究是将球头铣刀的切削刃微分成足够小的单元 把每个 微元看作是直边的倾斜切削刃 在其切削速度矢量和切屑流出矢量构成的平面内应用 正交切削理论 得到作用在微元上的切削力 各微元上的切削力矢量求和得到总的切 削力i e l e e 和y a l t i n t a s 2 9 在1 9 9 6 年发表的论文中 利用微分几何方法将刀刃划分成许 多小的切削刃 并将每个切削刃上的切向力 径向力和轴向力由刀刃力分量和剪切切 削分量组成 上述的两种建模方法是通过将复杂切削过程转化为许多个类似车削的简 单切削过程 通过分析切削刃的切削几何角度来建立的切削力模型 而要完全建立球 头铣刀和车刀的等效切削几何关系 就要进行球头铣刀切削刃详细的几何描述 但刀 具切削刃的这些复杂信息通常不易获得 g y u c e s a n 和y a l t i n t a s 3 0 j 应用微分几何知识将切削刃微元上的局部切削力表示成 作用在前刀面和侧面上的正压力和摩擦力的矢量和 此模型没有考虑到切屑流出角和 切削力系数的变化 模型校正和验证也局限于二维情形 因此实用性不大 球头铣刀 的建模思想除了前面描述的方法之外 还有铣削力的理论建模 j a i n 等 基于二维坐标下的切削对切削力的计算 建立球头铣刀的切削力模型 此模型的特点是将切削刃离散化 假设参与切削的微元切削刃为直齿的条件下建立起 来的模型 该模型与试验结果之间存在很大的误差 f e n g 等学者 3 2 将刀刃沿着轴向方向离散成微元 然后求解这些微切削刃上的切削 力 微元切削力分解为微元切向切削力和微元径向切削力 其切削力系数表示为切削 微元的轴向位置的函数 采用三次多项式进行拟合 基于同样的方法 g m k i m 等 建立类似的模型 i s m a i ll a z o g l u 3 4 基于p l e e 和y a l t i n t a s 的建模的方法 切削力计算不仅与切屑几 何有关 而且与刀刃上微元的弧长有关 将切削刃沿着轴向划分为多个切削微元 把 作用在切削微元上的切削力分解为微切向切削力 微径向切削力和微轴向切削力 所 有参与切削的切削刃微元的切削力矢量和就是球头铣刀受到的总的切削力 建立的球 头铣刀切削力预报模型 该模型可自动计算工件和切削刃之间的切削范围和瞬时切削 力的大小 2 2 球头铣刀铣削过程的几何仿真 本文结合文献 2 3 中建模方法 建立了满足任意进给方向的球头铣刀铣削力模型 球头铣刀形状较为复杂 刀具各部分的实际切削条件有很大差别 为了分析刀具 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 受到的切削力 对刀具进行微分化处理 将刀具沿轴线方向等间隔分为若干轴向段 显然 每个轴向段上有 个刀齿片 m 为刀具的刃数 将每个刀齿片作为一个切削 微元 分析其受力特性 通过对某一时刻所有参与切削的切削微元的受力进行矢量求 和得到该时刻刀具受到的瞬时切削合力 2 2 1 刀具坐标系定义 一般情况下 工件坐标系o x y z 都建立在工件底平面的一个顶点上 为了便于建 模过程中对切削过程的描述 在工件坐标系中建立刀具坐标系o x y z o x y z 建立在刀尖 上 刀具坐标系的坐标轴o x o y o z 分别与工件坐标系的x 轴 y 轴 z 轴平行 工 件坐标系与刀具坐标系的关系如图2 1 刚荔 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 图2 2 进给方向示意图 f 和口可以根据刀具的起始位置彳和最确定 k y 口 a r c s i n 荨 五一x i 2 e z 2 z 一z c a r c c o s 1 兰 d 三 五一墨 2 艺一巧 2 z j z 2 假设每齿进给量五 在进给方向确定之后 刀具的进给速度则可以分解为 z 方向的分量z 和x o y 平面内的分量厶 2 2 2 切削微元受力分析 f 厶 左 s i n 善 办 左 c o s 孝 2 2 2 3 2 4 图2 3 是球头铣刀在某 状态下 任意进给方向的某个切削微元受力情况示意图 在刀具转角目给定的情况下 刀具受到的铣削力为参与切削的各切削微元的受力矢量 和 每一个切削微元受到沿刀刃切向的力以 指向球心的力皿 与x o y 平行且垂直 切削半径的力妲 y a l t i n t a s 等人 3 8 的研究 提出了关于切削微元的宽度和弧线长度的铣削力模型 对于很小的切削深度 很大程度上降低了预测的铣削力和实际的铣削力之间的误差 但其仅仅考虑了进给方向与x 方向平行 并不具有球头铣刀铣削加工的普遍性 受其 启发 将任意进给球头铣刀切削微元上的瞬时铣削力表示如下 f d f e 刁 k t e d s k t c 乙 缈 0 a d z d f e z k r e d s k r c 乙 乡 a d z 2 5 d c 秒 互 k a e d s k a c 乙 乡 a d z 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 一一一 尼7 l l l t 卜一 l 图2 3 切削微元受力示意图 在刀具和工件给定的情况下 k t e k r e 和k a e 为刀刃边系数 是只与刀具及工件 材料有关的常数 k t c k r c 和k a c 为应力系数