磨削技術
高速機床的動態(tài)性能研究 |
| 發(fā)布時間：2020/6/29 |
| 高速加工技術應用需要為其提供操作平臺的高速加工機床。高速加工機床要實現(xiàn)高速加工技術優(yōu)異的加工性能，則必須使自身的性能條件達到高速加工的要求。其中，機床的動態(tài)特性是最重要的性能指標，這一節(jié)就來討論高速磨床的動態(tài)分析方法及結構優(yōu)化設計的相關 問題。 一、平面磨動態(tài)特性的理論 平面磨床動態(tài)特性是指機床系統(tǒng)在振動狀態(tài)下的特性，即機床在一定激振力下振幅和相位隨激振頻率變化的特性。機床的動態(tài)性能主要指抵抗振動的能力和穩(wěn)定性。 平面磨床動態(tài)分析是分析研究機床抵抗動態(tài)作用力的能力，包括抗振性和切削穩(wěn)定性?？拐裥允菣C床抵抗受迫振動的能力，與機床本身結構剛度、阻尼特性以及主要零部件的固有頻率有關。一般采用單位振動量的激振力表示。同時，在相同激振力作用下，機床產(chǎn)生的振動越 小，那么其抗振性就越好。 平面磨床振動是加工過程中難以避免的，它既使得刀具和工件的相對位置和相對速度發(fā)生變化，惡化切削過程；又使得機床和刀具在動載荷下工作，加速了二者的磨損，降低了加工精度，同時還會產(chǎn)生噪聲。分析研究表明，機床的加工質量在相當大程度上取決于本身所產(chǎn)生的振動。尤其是在高速加工條件下，振動的影響則更為明顯。于是，機床振動就成為機床動態(tài)性能的首要研究內容。 機床振動的類型分為： (1)自由振動它是指彈性系統(tǒng)離開平衡位置之后，在無外界激振力作用下，僅靠其彈性恢復力來維持的振動。自由振動的頻率就是系統(tǒng)固有頻率。當有阻尼時，振動則逐漸衰減，直至最后消失。n自由度自由振動的運動方程為質量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣。 (2)受迫振動它是指在外界激振力的持續(xù)作用下，彈性系統(tǒng)被迫產(chǎn)生的振動，其頻率與激振力頻率一致。如果激振力的頻率與系統(tǒng)的固有頻率接近，則將產(chǎn)生“共振”現(xiàn)象。自由度受迫振動的運動方程為激振力矢量。 對于無阻尼受迫振動的求解，通常采用模態(tài)分析法，即利用振型矩陣，把描述系統(tǒng)運動的坐標，從一般的廣義坐標變換到主坐標(也稱模態(tài)坐標)，把相應的運動方程變換成一組2個獨立的方程，求得系統(tǒng)在每個主坐標上的響應，然后得到系統(tǒng)在一般廣義坐標上的響應。 (3)自激振動它是指無外界激振力，維持振動的交變力是機床切削過程本身所產(chǎn)生或控制的。自激振動是一種特殊的振動。維持振動的能量不再是自由振動時的一次輸入，而是如同受迫振動那樣持續(xù)地輸入，同時自激振動的能源不再像受迫振動時通過周期性的作用輸入能量，而是對系統(tǒng)產(chǎn)生一個持續(xù)的作用，這個非周期的作用是只有通過系統(tǒng)本身的振動才變?yōu)橹芷谛缘摹?br /> 平面磨床上產(chǎn)生的振動，大部分都是受迫振動和自激振動。然而，對于磨床而言，不管是自激振動還是受迫振動，都會使砂輪與工件產(chǎn)生相對振動，反映在加工表面則是波紋度誤差。 不同的機械產(chǎn)品對振動的要求、評價方法和評價指標是不同的。對機床而言，其要求主要反映刀具與工件之間的相對振動。從振動原理上來分析，振動評價的主要指標有： 1)固有頻率。在同類結構中相比，固有頻率越高，其抗振性能越好。 2)振幅。振幅越大則表示振動越為強烈。 3)振型。即機械振動的形態(tài)。通常用振動頻率、振幅及振動方向三個參數(shù)來描述振型。在振型的節(jié)線上振型瞌線斜率最大，該處即為結構的薄弱環(huán)節(jié)，也可能是會產(chǎn)生疲勞破壞的位置。所以，對機床來說應盡量使刀具與工件同相位振動，以利于控制工件表面磨削振紋的形成。 由此可知，若要從根本上克服振動帶來的問題，重點在于針對振動特性采取措施以提高機床自身的抗振性能。具體到機床結構上；一是提高結構自身剛度，二是消除或減弱機床優(yōu)勢振型，使機床在各種動態(tài)力的作用下，刀具與工件的相對振動量控制在加工質量所允許的范圍之內。其中，提高機床結構動剛度的措施有： 1)提高平面磨床構件的靜剛度和固有頻率。 2)改善平面磨床結構的阻尼特性。 3)變更振型的振動方向。 二、平面磨床動態(tài)性能 平面磨床動態(tài)性能的研究方法有以下幾種：一是動態(tài)測試試驗；二是數(shù)學方法做理論建模分析；三則是對前兩種方法取長補短，作綜合分析。以上方法的本質都是通過對實際機床或模型作激振，根據(jù)信號輸入方式的不同，采用不同的分析測量方法，研究機床的動態(tài)性能，以找到影響機床動態(tài)性能的薄弱環(huán)節(jié)，提出改進方案，以期通過結構合理改進，或安裝有效的減振裝置，達到提高機床動態(tài)性能的目的。 無論是進行動態(tài)性能分析還是進行優(yōu)化設計，建立準確合理的動力學模型是關鍵。機床是一個多部件組成的復雜系統(tǒng)，要建立起能夠確切模擬機床結構和各項特性的動力學模型并非易事。目前，動力學建模的方法分為兩大類：一是通過動態(tài)試驗進行系統(tǒng)識別，二是通過解析法或數(shù)值法進行理論建模。 根據(jù)平面磨床的設計圖紙或實際結構，經(jīng)過不同方式和程度的簡化，可建立起不同形式的動力學模型。在機床的動力分析和動態(tài)設計中，最常見的有集中參數(shù)模型、分布質量梁模型和有限單元模型三種。 (1)集中參數(shù)模型對于復雜的機床結構來說，它的慣性(質量和轉動慣量)、彈性和阻尼都是相當復雜的，必須作簡化才能建立起可供實際應用的動力學模型。最方便的簡化辦法是：結構的質量用分散在有限個適當點上的集中質量來置換，結構的彈性用一些沒有質量的當量彈性梁來置換，結構的阻尼假設為遲滯型的結構阻尼，結合部簡化為集中的等效彈性元件和阻尼元件。這樣，整個結構就可簡化為由一系列集中的慣性元件、彈性元件和阻尼元件組成的動力學模型，簡稱為集中參數(shù)模型。 (2)分布質量梁模型集中參數(shù)模型，特別是子結構較大而又將其質量集中在當量單元梁的兩端時，顯然比較粗糙，不可能很好地逼近結構的動力特性，模擬實際結構的精度較低。增加子結構的數(shù)目，以及改進子結構質量的簡化方式，都可以提高模型的模擬精度。將子結構簡化為質量均勻分布的等截面梁，就是一種更加接近實際、計算也比較簡單的做法。 (3)有限元模型有限元模型和分布質量梁模型及集中參數(shù)模型相比，是模擬實際結構的精度最高的一種理論模型，其模擬精度隨著單元的減小和逼近模式的復雜化而提高，計算工作量大。集中參數(shù)模型最簡單，模擬精度最低，計算工作量最小，難于得到和實際結構動力特性十分近似的模型。分布質量梁模型則介于其他兩者之間，模擬實際結構的精度比集中參數(shù)模型高，計算工作量則比有限元模型小。 隨著結構動力學、動態(tài)試驗與分析、計算機技術等飛速發(fā)展，機械系統(tǒng)的動態(tài)性能問題研究已逐漸形成了統(tǒng)一的機械動力學這一交叉學科。其中，針對機床動態(tài)性能研究的稱為機床動力學。機床動力學主要研究機床動態(tài)性能分析及針對動態(tài)性能的動態(tài)優(yōu)化設計。 1．平面磨床動態(tài)性能分析 在動力學模型的基礎上，分析機床的動態(tài)性能有兩種途徑：一是通過對機床進行動態(tài)測試采集相關信號分析機床的性能；二則是針對理論動力學模型進行解析或數(shù)值求解。 動態(tài)測試分析主要應用激振響應法測定機床結構的動力特性，包括固有頻率、各階主振型、結構上指定點的頻率位移響應等。通過對這些數(shù)據(jù)進行分析，找出機床結構的相對薄弱環(huán)節(jié)從而為結構改進提供方向，這種方法雖然不能定量地指出結構改進的程度，但是可信度較高。 利用動力學模型進行的理論動力學分析又根據(jù)求解方式的不同分為解析解法和數(shù)值解法。解析解法是根據(jù)各種力學理論導出表征力學特征的方程，結合一定的邊界條件和初始條件進行解析求解。解析解法結果簡單，物理意義明確，可以得到對設計有指導性或普遍性意義的結論和方法。但能夠用解析解法解決的工程實際問題很少。數(shù)值解法是對表征力學特征的方程進行數(shù)值求解。、目前最廣泛使用的數(shù)值解法是有限元法。有限元法的力學理論基礎是彈塑性力學的變分原理。對于平面磨床這類復雜的組合結構，比起將結構抽象簡化的解析法而言，由于整體有限元法實體建模能夠最大限度地描述結構特征，直觀形象，并且易于實行便于掌握，將會有更廣闊的應用前景。 相對于動態(tài)測試分析法，理論分析法可以在沒有結構硬件的條件下進行，有效地節(jié)省研制時間和經(jīng)費。但是理論建模由于邊界問題難于保證模型的正確性?？梢妱討B(tài)測試分析和理論計算分析這兩種方法各有所長，也各有不足，把兩者結合起來應用是當前進行機床動態(tài)性能分析最經(jīng)濟有效的途徑。 2．平面磨床動態(tài)優(yōu)化設計 動態(tài)優(yōu)化設計旨在設計階段針對機床結構的動態(tài)性能進行優(yōu)化設計，用經(jīng)濟有效的手段獲得具有預定動態(tài)性能的結構。 結構動態(tài)設計可基本分為方案比較優(yōu)化法和參數(shù)自動尋優(yōu)法兩類。其中參數(shù)自動尋優(yōu)法 相對前者是一種新型的結構設計方法，但對于大型復雜結構的優(yōu)化仍存在技術上的困難。方案比較法是比較傳統(tǒng)的方法。目前趨勢是以方案比較分析優(yōu)化為主，參數(shù)自動尋優(yōu)為輔的設計方法。 總結上述分析可見，結構動態(tài)性能分析是過程，有限元是手段，而結構動態(tài)改進設計是方法，提高機床動態(tài)性能是目的，圖給出了機械結構優(yōu)化設計方法。  圖 機械結構優(yōu)化設計方法 |
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