磨削技術(shù)
高速機床的動(dòng)態(tài)性能研究 |
| 發(fā)布時(shí)間：2020/6/29 |
| 高速加工技術(shù)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(shí)現高速加工技術(shù)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(dòng)態(tài)特性是最重要的性能指標，這一節就來(lái)討論高速磨床的動(dòng)態(tài)分析方法及結構優(yōu)化設計的相關(guān) 問(wèn)題。 一、平面磨動(dòng)態(tài)特性的理論 平面磨床動(dòng)態(tài)特性是指機床系統在振動(dòng)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(dòng)態(tài)性能主要指抵抗振動(dòng)的能力和穩定性。 平面磨床動(dòng)態(tài)分析是分析研究機床抵抗動(dòng)態(tài)作用力的能力，包括抗振性和切削穩定性?？拐裥允菣C床抵抗受迫振動(dòng)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(guān)。一般采用單位振動(dòng)量的激振力表示。同時(shí)，在相同激振力作用下，機床產(chǎn)生的振動(dòng)越 小，那么其抗振性就越好。 平面磨床振動(dòng)是加工過(guò)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(guò)程；又使得機床和刀具在動(dòng)載荷下工作，加速了二者的磨損，降低了加工精度，同時(shí)還會(huì )產(chǎn)生噪聲。分析研究表明，機床的加工質(zhì)量在相當大程度上取決于本身所產(chǎn)生的振動(dòng)。尤其是在高速加工條件下，振動(dòng)的影響則更為明顯。于是，機床振動(dòng)就成為機床動(dòng)態(tài)性能的首要研究?jì)热荨?br /> 機床振動(dòng)的類(lèi)型分為： (1)自由振動(dòng)它是指彈性系統離開(kāi)平衡位置之后，在無(wú)外界激振力作用下，僅靠其彈性恢復力來(lái)維持的振動(dòng)。自由振動(dòng)的頻率就是系統固有頻率。當有阻尼時(shí)，振動(dòng)則逐漸衰減，直至最后消失。n自由度自由振動(dòng)的運動(dòng)方程為質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣。 (2)受迫振動(dòng)它是指在外界激振力的持續作用下，彈性系統被迫產(chǎn)生的振動(dòng)，其頻率與激振力頻率一致。如果激振力的頻率與系統的固有頻率接近，則將產(chǎn)生“共振”現象。自由度受迫振動(dòng)的運動(dòng)方程為激振力矢量。 對于無(wú)阻尼受迫振動(dòng)的求解，通常采用模態(tài)分析法，即利用振型矩陣，把描述系統運動(dòng)的坐標，從一般的廣義坐標變換到主坐標(也稱(chēng)模態(tài)坐標)，把相應的運動(dòng)方程變換成一組2個(gè)獨立的方程，求得系統在每個(gè)主坐標上的響應，然后得到系統在一般廣義坐標上的響應。 (3)自激振動(dòng)它是指無(wú)外界激振力，維持振動(dòng)的交變力是機床切削過(guò)程本身所產(chǎn)生或控制的。自激振動(dòng)是一種特殊的振動(dòng)。維持振動(dòng)的能量不再是自由振動(dòng)時(shí)的一次輸入，而是如同受迫振動(dòng)那樣持續地輸入，同時(shí)自激振動(dòng)的能源不再像受迫振動(dòng)時(shí)通過(guò)周期性的作用輸入能量，而是對系統產(chǎn)生一個(gè)持續的作用，這個(gè)非周期的作用是只有通過(guò)系統本身的振動(dòng)才變?yōu)橹芷谛缘摹?br /> 平面磨床上產(chǎn)生的振動(dòng)，大部分都是受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)。然而，對于磨床而言，不管是自激振動(dòng)還是受迫振動(dòng)，都會(huì )使砂輪與工件產(chǎn)生相對振動(dòng)，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(dòng)的要求、評價(jià)方法和評價(jià)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(dòng)。從振動(dòng)原理上來(lái)分析，振動(dòng)評價(jià)的主要指標有： 1)固有頻率。在同類(lèi)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(dòng)越為強烈。 3)振型。即機械振動(dòng)的形態(tài)。通常用振動(dòng)頻率、振幅及振動(dòng)方向三個(gè)參數來(lái)描述振型。在振型的節線(xiàn)上振型瞌線(xiàn)斜率最大，該處即為結構的薄弱環(huán)節，也可能是會(huì )產(chǎn)生疲勞破壞的位置。所以，對機床來(lái)說(shuō)應盡量使刀具與工件同相位振動(dòng)，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(dòng)帶來(lái)的問(wèn)題，重點(diǎn)在于針對振動(dòng)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(dòng)態(tài)力的作用下，刀具與工件的相對振動(dòng)量控制在加工質(zhì)量所允許的范圍之內。其中，提高機床結構動(dòng)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(dòng)方向。 二、平面磨床動(dòng)態(tài)性能 平面磨床動(dòng)態(tài)性能的研究方法有以下幾種：一是動(dòng)態(tài)測試試驗；二是數學(xué)方法做理論建模分析；三則是對前兩種方法取長(cháng)補短，作綜合分析。以上方法的本質(zhì)都是通過(guò)對實(shí)際機床或模型作激振，根據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(dòng)態(tài)性能，以找到影響機床動(dòng)態(tài)性能的薄弱環(huán)節，提出改進(jìn)方案，以期通過(guò)結構合理改進(jìn)，或安裝有效的減振裝置，達到提高機床動(dòng)態(tài)性能的目的。 無(wú)論是進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能分析還是進(jìn)行優(yōu)化設計，建立準確合理的動(dòng)力學(xué)模型是關(guān)鍵。機床是一個(gè)多部件組成的復雜系統，要建立起能夠確切模擬機床結構和各項特性的動(dòng)力學(xué)模型并非易事。目前，動(dòng)力學(xué)建模的方法分為兩大類(lèi)：一是通過(guò)動(dòng)態(tài)試驗進(jìn)行系統識別，二是通過(guò)解析法或數值法進(jìn)行理論建模。 根據平面磨床的設計圖紙或實(shí)際結構，經(jīng)過(guò)不同方式和程度的簡(jiǎn)化，可建立起不同形式的動(dòng)力學(xué)模型。在機床的動(dòng)力分析和動(dòng)態(tài)設計中，最常見(jiàn)的有集中參數模型、分布質(zhì)量梁模型和有限單元模型三種。 (1)集中參數模型對于復雜的機床結構來(lái)說(shuō)，它的慣性(質(zhì)量和轉動(dòng)慣量)、彈性和阻尼都是相當復雜的，必須作簡(jiǎn)化才能建立起可供實(shí)際應用的動(dòng)力學(xué)模型。最方便的簡(jiǎn)化辦法是：結構的質(zhì)量用分散在有限個(gè)適當點(diǎn)上的集中質(zhì)量來(lái)置換，結構的彈性用一些沒(méi)有質(zhì)量的當量彈性梁來(lái)置換，結構的阻尼假設為遲滯型的結構阻尼，結合部簡(jiǎn)化為集中的等效彈性元件和阻尼元件。這樣，整個(gè)結構就可簡(jiǎn)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(dòng)力學(xué)模型，簡(jiǎn)稱(chēng)為集中參數模型。 (2)分布質(zhì)量梁模型集中參數模型，特別是子結構較大而又將其質(zhì)量集中在當量單元梁的兩端時(shí)，顯然比較粗糙，不可能很好地逼近結構的動(dòng)力特性，模擬實(shí)際結構的精度較低。增加子結構的數目，以及改進(jìn)子結構質(zhì)量的簡(jiǎn)化方式，都可以提高模型的模擬精度。將子結構簡(jiǎn)化為質(zhì)量均勻分布的等截面梁，就是一種更加接近實(shí)際、計算也比較簡(jiǎn)單的做法。 (3)有限元模型有限元模型和分布質(zhì)量梁模型及集中參數模型相比，是模擬實(shí)際結構的精度最高的一種理論模型，其模擬精度隨著(zhù)單元的減小和逼近模式的復雜化而提高，計算工作量大。集中參數模型最簡(jiǎn)單，模擬精度最低，計算工作量最小，難于得到和實(shí)際結構動(dòng)力特性十分近似的模型。分布質(zhì)量梁模型則介于其他兩者之間，模擬實(shí)際結構的精度比集中參數模型高，計算工作量則比有限元模型小。 隨著(zhù)結構動(dòng)力學(xué)、動(dòng)態(tài)試驗與分析、計算機技術(shù)等飛速發(fā)展，機械系統的動(dòng)態(tài)性能問(wèn)題研究已逐漸形成了統一的機械動(dòng)力學(xué)這一交叉學(xué)科。其中，針對機床動(dòng)態(tài)性能研究的稱(chēng)為機床動(dòng)力學(xué)。機床動(dòng)力學(xué)主要研究機床動(dòng)態(tài)性能分析及針對動(dòng)態(tài)性能的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設計。 1．平面磨床動(dòng)態(tài)性能分析 在動(dòng)力學(xué)模型的基礎上，分析機床的動(dòng)態(tài)性能有兩種途徑：一是通過(guò)對機床進(jìn)行動(dòng)態(tài)測試采集相關(guān)信號分析機床的性能；二則是針對理論動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行解析或數值求解。 動(dòng)態(tài)測試分析主要應用激振響應法測定機床結構的動(dòng)力特性，包括固有頻率、各階主振型、結構上指定點(diǎn)的頻率位移響應等。通過(guò)對這些數據進(jìn)行分析，找出機床結構的相對薄弱環(huán)節從而為結構改進(jìn)提供方向，這種方法雖然不能定量地指出結構改進(jìn)的程度，但是可信度較高。 利用動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行的理論動(dòng)力學(xué)分析又根據求解方式的不同分為解析解法和數值解法。解析解法是根據各種力學(xué)理論導出表征力學(xué)特征的方程，結合一定的邊界條件和初始條件進(jìn)行解析求解。解析解法結果簡(jiǎn)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(shí)際問(wèn)題很少。數值解法是對表征力學(xué)特征的方程進(jìn)行數值求解。、目前最廣泛使用的數值解法是有限元法。有限元法的力學(xué)理論基礎是彈塑性力學(xué)的變分原理。對于平面磨床這類(lèi)復雜的組合結構，比起將結構抽象簡(jiǎn)化的解析法而言，由于整體有限元法實(shí)體建模能夠最大限度地描述結構特征，直觀(guān)形象，并且易于實(shí)行便于掌握，將會(huì )有更廣闊的應用前景。 相對于動(dòng)態(tài)測試分析法，理論分析法可以在沒(méi)有結構硬件的條件下進(jìn)行，有效地節省研制時(shí)間和經(jīng)費。但是理論建模由于邊界問(wèn)題難于保證模型的正確性?？梢?jiàn)動(dòng)態(tài)測試分析和理論計算分析這兩種方法各有所長(cháng)，也各有不足，把兩者結合起來(lái)應用是當前進(jìn)行機床動(dòng)態(tài)性能分析最經(jīng)濟有效的途徑。 2．平面磨床動(dòng)態(tài)優(yōu)化設計 動(dòng)態(tài)優(yōu)化設計旨在設計階段針對機床結構的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行優(yōu)化設計，用經(jīng)濟有效的手段獲得具有預定動(dòng)態(tài)性能的結構。 結構動(dòng)態(tài)設計可基本分為方案比較優(yōu)化法和參數自動(dòng)尋優(yōu)法兩類(lèi)。其中參數自動(dòng)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(shù)上的困難。方案比較法是比較傳統的方法。目前趨勢是以方案比較分析優(yōu)化為主，參數自動(dòng)尋優(yōu)為輔的設計方法。 總結上述分析可見(jiàn)，結構動(dòng)態(tài)性能分析是過(guò)程，有限元是手段，而結構動(dòng)態(tài)改進(jìn)設計是方法，提高機床動(dòng)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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