磨削技術(shù)
高速磨床整機動(dòng)態(tài)特性分析 |
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| 發(fā)布時(shí)間：2020/10/19 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 高速磨床整機動(dòng)態(tài)特性分析 機床是機械制造工業(yè)中最基本的設備，隨著(zhù)國民經(jīng)濟的發(fā)展，人們對機床提出了越來(lái)越高的要求，其中最基本的問(wèn)題就是要提高機床的工作性能，而機床的工作性能是與其動(dòng)態(tài)性能緊密相關(guān)的。隨著(zhù)現代設計方法的廣泛應用，對機床進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析，用動(dòng)態(tài)設計取代靜態(tài)設計已成為現代機床設計發(fā)展的必然趨勢。 MKQ8312數控凸輪軸磨床是由多個(gè)零部件組成的復雜組合結構，僅對個(gè)別零部件進(jìn)行分析，無(wú)法全面反映機床整體的性能，特別是在動(dòng)態(tài)分析中，各零部件之間結合部的接觸參數對動(dòng)態(tài)性能的解析計算精度影響很大。因此，要準確地預測機床的動(dòng)態(tài)性能，就必須對整機進(jìn)行結構動(dòng)力學(xué)分析。 在進(jìn)行結構動(dòng)力學(xué)分析的實(shí)際運用中，通常采取的方法是將連續系統離散化為只有有限個(gè)自由度的系統，由此求出連續系統的近似解。這些離散化的方法中有集中質(zhì)量法、假設模態(tài)法、模態(tài)綜合法和有限元法。集中質(zhì)量法雖然做法簡(jiǎn)單，但如何選取各個(gè)集中點(diǎn)以及如何配置各點(diǎn)的質(zhì)量，才能使所得結果比較接近于實(shí)際情況，這都需要經(jīng)驗和試驗的啟示，缺乏一般的理論指導。假設模態(tài)法和模態(tài)綜合法的精度在很大程度上取決于所選擇的結構或子結構的假設模態(tài)，對于復雜結構，這種假設模態(tài)難以找到，并且對于不同的結構沒(méi)有通用性。而有限元法則是對每個(gè)單元取假設模態(tài)，由于單元的數目通常比較大，假設模態(tài)就可以取得非常簡(jiǎn)單；而且它以節點(diǎn)位移作為系統的廣義坐標，可以降低系統微分方程的耦合程度，給用計算機求解帶來(lái)方便，所以有限元法已成為分析復雜結構的有效方法和手段。本章通過(guò)有限元法針對整機建模，結合整機機床的薄弱環(huán)節提出了一些改進(jìn)意見(jiàn)，并對改進(jìn)件進(jìn)行了模態(tài)分析，作出評價(jià)。 這里選擇在uG中建立各零部件的幾何模型，然后用UG的裝配模塊將各零部件裝配為整機模型，以Parasolid格式導入有限元分析軟件MSC．Patran中劃分網(wǎng)格，設置結合面參數及邊界條件，進(jìn)行模態(tài)分析求解平面磨床的固有特性。 1．機床整機有限元模型的建立 建立正確的動(dòng)力學(xué)模型是進(jìn)行結構動(dòng)力學(xué)分析及優(yōu)化設計的關(guān)鍵和基礎。在結構動(dòng)力學(xué)分析中，建立一個(gè)行之有效的模型是至關(guān)重要的。從一定意義上講，模型包含了分析內容的所有力學(xué)特性。對具有復雜形狀和邊界條件的部件，采用三維有限元法建模是比較理想的。本書(shū)采用uG建立三維幾何模型，采用MSC．Patran建立有限元模型。一般情況下，在建模時(shí)需要考慮的問(wèn)題包括：結構簡(jiǎn)化、有限元單元類(lèi)型的選擇和單元網(wǎng)格的劃分、單元特性的準備、材料特性的準備、邊界(和初始)條件及載荷條件的確定等。建模時(shí)還要考慮分析的具體內容和精度要求。另外，還要考慮所擁有的結構分析軟件的情況以及計算機硬件的情況，這是不言而喻的，有時(shí)這些情況將成為問(wèn)題的關(guān)鍵所在。這些問(wèn)題不是孤立的，相互之間是有機地聯(lián)系在一起的，建模時(shí)要統一考慮。 (1)幾何簡(jiǎn)化機床是二種大型的復雜結構，要建立精確完整的動(dòng)力學(xué)模型是很困難的?？紤]到軟硬件的限制及分析的目的與要求，完全按實(shí)物建立有限元模型，實(shí)際上是不必要的，有時(shí)甚至是不可能的。因此，簡(jiǎn)化模型是準備分析模型過(guò)程中極為重要的一步。 對機床進(jìn)行結構分析時(shí)，應該在滿(mǎn)足工程精度的要求下，盡量采用簡(jiǎn)化的結構模型進(jìn)行計算。 一般來(lái)說(shuō)，模態(tài)分析條件下機床簡(jiǎn)化的原則有： 1)建模中應使零件盡可能的簡(jiǎn)單。模型越復雜，分析占用的資源就越多。在建模時(shí)應考慮首先建立較大和較為重要的特征，避免不必要的關(guān)系，進(jìn)而簡(jiǎn)化模型。 2)壓縮不會(huì )改變分析模型特性的一些特征，如倒角、小孔、退刀槽、定位孔、螺紋等均按實(shí)體處理。 3)將結構中的小錐度、小曲率曲面進(jìn)行直線(xiàn)化處理，以免在生成有限元模型時(shí)結合部出現間隙或造成太大的計算量。 4)盡量利用結構的對稱(chēng)性進(jìn)行建模。 根據MKQ8312數控凸輪軸磨床結構特點(diǎn)并結合以上模態(tài)分析結構簡(jiǎn)化的原則，對其做如下有限元模型簡(jiǎn)化處理。 1)對床身上的小錐度和小曲率曲面進(jìn)行直線(xiàn)化處理，例如，起模斜度和為流磨削液而設計的斜面等，防止在有限元生成時(shí)模型的結合面出現間隙。 2)對CAD零部件中的板壁孔洞及凸緣，若孔的尺寸較大，則模型中應保留，若孔帕尺寸較小，為便于劃分網(wǎng)格，可在模型中略去這些孔，而其影響可根據剛度等效原理適當減小原孔處單元的厚度，對一些處于邊緣處的工藝小孔，則忽略不計；對凸緣也作類(lèi)似的處理。 3)去掉工作臺上工藝腳及防護罩；由于頭架上的液壓裝置十分復雜，在此可以簡(jiǎn)化成集中質(zhì)量加載在頭架相應部位上。 4)對于各個(gè)零部件上的圓角及螺紋孔、退刀槽等簡(jiǎn)化掉，其目的在于避免生成壞的有限元單元和造成太大的計算工作量。 5)對主軸和主軸軸承，主軸簡(jiǎn)化成空間梁?jiǎn)卧?；軸承由于結構十分復雜，不便畫(huà)出來(lái)，可以用連接彈簧元來(lái)模擬。 6)部件間結合面，都以線(xiàn)性彈簧和阻尼連接元來(lái)模擬。對固定結合面，一般在固定螺．釘處加連接單元；對滑動(dòng)結合面，根據接觸情況和有限元網(wǎng)格劃分情況，在適當位置上加連接單元。 (2)網(wǎng)格劃分機床整機的有曝元網(wǎng)格是在MSC．Patran軟件上建立的。首先，在建立機床豐要零部件的幾何模型基礎上，生成各零部件的有限元網(wǎng)格。然后，對于床身、工作臺、頭架、尾座、搖架、墊板、砂輪底座、砂輪架等基礎體采用Patra7n里的體單元進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分，對于頭架主軸及砂輪架主軸采用Pa溉n里的梁?jiǎn)卧?，采用彈簧單元模擬軸承，另外，利用MPC多點(diǎn)約束來(lái)模擬各個(gè)零部件間的結合部，使其剛性連接為一體，便于力的傳遞，這樣就形成了整機的有限元網(wǎng)格。 1)多點(diǎn)約束(MPC)。多點(diǎn)約束(Multi-Point Constraint，MPC)是對節點(diǎn)的一種約束，即將某節點(diǎn)印依賴(lài)自由度定義為其他若干節點(diǎn)獨立自由度的函數。例如，將節點(diǎn)1的X方向位移定義為節點(diǎn)2、節點(diǎn)3、節點(diǎn)4的X方向位移的函數。 多點(diǎn)約束常用于表征一些特定的物理現象，比如剛性連接、鉸接、滑動(dòng)等，多點(diǎn)約束也可用于不相容單露靖的載蘅傳遞，是一項重要的有限元授泰。 對于不同謦勢拼解籌器和分析類(lèi)型，Patran支持鶴多患約柬類(lèi)型是不弼豹。以Nastran為例的結構分析:共有12種類(lèi)型的多點(diǎn)約束，包括如RBE2、RBE3、Rjoint等。 對于凸輪軸磨床的整機模型而言，各個(gè)零部件間采用Rigid這一類(lèi)型進(jìn)行剛性連接，即將若于個(gè)繁鎖節點(diǎn)與某個(gè)獨立節點(diǎn)相互固定，從而使所節點(diǎn)由度都與獨立節點(diǎn)保持一致。 2)彈簧單元諍彈簧單元是MSC．Patran中的一組特殊單元建一維彈簧單元，通過(guò)定義彈簧的彈性常數、阻尼、單元的節點(diǎn)自由度等來(lái)實(shí)現，彈簧的位置由兩個(gè)節點(diǎn)定義，彈簧只能承受指定自由度方向剛度的單元，所以在定義彈簧的時(shí)候還必須指定彈簧的自由度方向比如彈簧只能拉壓在x方向。 對于MKQ8312數控凸輪軸磨床而言，需要三個(gè)縫努用到彈簧單元栗橫撤軸承，第一個(gè)是頭架主軸。與瓤座之間，第二個(gè)是搖架短軸與其底座之阿，第三個(gè)起砂輪架主軸與砂輪架箱體之間均需要用彈簧單元來(lái)模擬軸承。其中彈簧常數與軸承剛度一致，方向釋放UZ。 以頭架主軸為例(圖8-32)，1處和2處分別由2組角接觸球軸承與其底座連接，鹵此每個(gè)地方需要用兩個(gè)彈簧單元模擬，查表得701l AC/P4DBB型號軸承的剛度為1.12×10s N/mm，因此彈簧常數為l.12×105砂輪架主軸采用滑動(dòng)軸承，其軸承剛度為2x10sN/mm，因此彈簧常數為2x105總的來(lái)說(shuō)，劃分完后的整機有限元模型包括實(shí)體單元、質(zhì)量單元、彈簧單元和MPC剛性約束，其中實(shí)體單元包含節點(diǎn)379158個(gè)，單元230058個(gè)。整機有限元模型如圖8-39所示。 2．整機有限元分析結果 整機有限元網(wǎng)格劃分完后，即對其施加邊界條件及材料屬性，方法與上章對床身施加邊界條件一致，邊界條件是約束床身底部的8個(gè)墊鐵，整機材料為HT200。 在機床整機的動(dòng)態(tài)設計中，模態(tài)分析是對機床整體動(dòng)態(tài)特性分析和改進(jìn)設計的關(guān)鍵。如何從平面磨床這一本身具有無(wú)限多個(gè)自由度的質(zhì)量連續分布的彈性體的固有頻率及對應的振型中，明確地指出對加工質(zhì)量影響較大的那些振動(dòng)頻率和所對應的振型，就顯得十分重要，表8-14給出了整機前l(fā)。階的固有頻率。 表8-14 MKQ8312數控凸輪軸磨床整機前10階固有頻率 (單位：Hz)
1)床身在整個(gè)模態(tài)中具有比較明顯的彎曲、扭轉振動(dòng)。 2)由圖8-40的振型圖可知，頭架和尾座的彎曲扭轉極其嚴重，從而會(huì )導致工件振動(dòng)，影響加工精度，需要加強。    第1階 第2階 第3階    第4階 第5階 第6階    第7階 第8階 第9階  第10階 圖8．40 MKQ8312數控凸輪軸磨床整機振型圖 3)頭架主軸的振動(dòng)很明顯，原因是由于軸承剛度不夠，沒(méi)連接好，導致主軸上下振動(dòng)。 4)從振型圖(圖8-40)可見(jiàn)，砂輪架也有彎曲振動(dòng)現象，可以適當加強砂輪架剛度。 3．整機結構改進(jìn)研究 對于機床一類(lèi)的復雜機械設備，要實(shí)現整機設計參數的真正優(yōu)化是很困難的。因此。一般采用主要部件優(yōu)化以實(shí)現整機的集成優(yōu)化。對主要結構部件的優(yōu)化往往采用多種結構方案的比較優(yōu)選進(jìn)行。但應該注意的是，對各優(yōu)化結構進(jìn)行優(yōu)選集成整機時(shí)，應考慮各部件的前幾階模態(tài)頻率的分離，若各主要部件之間的模態(tài)頻率相同或相近，整機結構的激勵頻率與部件模態(tài)頻率也相近時(shí)，那么就會(huì )導致整機受到激勵時(shí)結構振動(dòng)幅值會(huì )成倍增加。為此，必須選擇相互之間模態(tài)頻率分離的主要裝配部件作為整機集成的優(yōu)選部件，以使整機結構的動(dòng)態(tài)特性得到提高。 在計算機設計環(huán)境中進(jìn)行機床部件的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設計和部件的模態(tài)頻率修正，并不需要制造物理樣機或部件，設計、計算和分析過(guò)程都在計算機中完成。根據模態(tài)頻率分離原則，通過(guò)對部件結構的反復設計和修改，找出最佳的機床部件組合，從而實(shí)現機床的動(dòng)態(tài)設計。整機結構的模態(tài)頻率校正可以通過(guò)單個(gè)部件的動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設計來(lái)調節部件結構的模態(tài)頻率，從而使整機結構的動(dòng)態(tài)特性提高。 下面嘗試通過(guò)改進(jìn)零部件頻率的方法來(lái)提高整機頻率。 由表8-15可知，墊板、頭架、砂輪架的某些頻率梧近。這將使機床受激勵后會(huì )發(fā)生大幅度振動(dòng)，最終導致機床的加工精度大大降低。 表8-15原凸輪軸磨床各主要部件前3階模態(tài)頻率 (單位：Hz)
由于床身的固有頻率與其他各個(gè)零部件的某些頻率不相近，故改進(jìn)時(shí)不作重點(diǎn)考慮，但考慮到整機振型中床身有彎曲和扭轉振動(dòng)，可以適當改進(jìn)床身結構以提高其剛度。 本著(zhù)盡量使各個(gè)零部件之間的某些頻率不相近的原則，現對整機作如下改進(jìn)： 改進(jìn)A型將床身結構改為上章所述的綜合改進(jìn)型床身(即床身的壁厚及肋板厚度均增加4mm，肋板位置采用b2型，增加的肋板形狀采用c5型(W形肋板，開(kāi)孔形狀采用圓形)。 改進(jìn)B型將頭架四周開(kāi)口均縮小原長(cháng)度的1/10。 由表8-16可知，頭架改進(jìn)后的磨床僅剩下墊板與砂輪架間有相近的模態(tài)頻率。 表8-16改進(jìn)B型磨床各主要部件前3階模態(tài)頻率 (單位：Hz)
由表8-17可知，改進(jìn)C型磨床各個(gè)主要部件間不再存在相近的模態(tài)頻率。建立各個(gè)改進(jìn)型磨床的整機模型，進(jìn)行模態(tài)分析得到的結果見(jiàn)表8-18。 表8-17 改進(jìn)C型磨床各主要部件前3階模態(tài)頻率 (單位：Hz)
表8-18 MKQ8312凸輪軸磨床改進(jìn)型固有頻率對照表 (單位：Hz)
改進(jìn)B型和改進(jìn)C型均是通過(guò)使各個(gè)部件前幾階模態(tài)頻率分離的技術(shù)試圖提高整機固有特性的，由以上計算結果表明，采用模態(tài)頻率分離的技術(shù)可以明顯提高整機固有頻率，比改進(jìn)A型機床效果更明顯。原型整機有3個(gè)零部件之間模態(tài)頻率相近，其固有頻率最低；改進(jìn)B型僅有2個(gè)零部件之間模態(tài)頻率相近，其固有頻率居中；改進(jìn)C型無(wú)相近模態(tài)頻率，其固有頻率最高。 針對頭架主軸的振動(dòng)明顯這一薄弱環(huán)節，頭架主軸軸承剛度參數對其固有頻率影響見(jiàn)表 表8-19 頭架主軸軸承剛度參數對整機固有頻率的影響 (單位：Hz)
本文著(zhù)重對MKQ8312數控凸輪軸磨床整機進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性分析及結構改進(jìn)研究，介紹了在建立整機有限元模型中的部件簡(jiǎn)化、怎樣使兩個(gè)不同的零部件間連接起來(lái)(MPC約束)、軸與箱體間的軸承用彈簧單元代替等一些建模技巧。通過(guò)對整機進(jìn)行摸態(tài)分析，得到其前10階固有頻率及振型圖；并針對整機薄弱環(huán)節采用各個(gè)零部件固有頻率分離和提高軸承剛度兩種方法對其進(jìn)行改進(jìn)，結果表明采用使各個(gè)零部件固有頻率分離的方法對提高其整機剛度效果很明顯。 但由于整機動(dòng)態(tài)仿真的關(guān)鍵之一是如何處理各零部件之間的連接剛度和界面阻尼問(wèn)題，以上軸承剛度僅憑經(jīng)驗數據而得，限于測試困難和時(shí)間限制，這方面工作客觀(guān)地存在很大困難；而且對于不同機床結構，其剛度阻尼數據也不同，這方面的研究工作還值得進(jìn)一步深入研究。 |
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