磨削技術(shù)
高速機(jī)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(yīng)用需要為其提供操作平臺(tái)的高速加工機(jī)床。高速加工機(jī)床要實(shí)現(xiàn)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(dá)到高速加工的要求。其中，機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性是最重要的性能指標(biāo)，這一節(jié)就來(lái)討論高速磨床的動(dòng)態(tài)分析方法及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jī)床系統(tǒng)在振動(dòng)狀態(tài)下的特性，即機(jī)床在一定激振力下振幅和相位隨激振頻率變化的特性。機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能主要指抵抗振動(dòng)的能力和穩(wěn)定性。 平面磨床動(dòng)態(tài)分析是分析研究機(jī)床抵抗動(dòng)態(tài)作用力的能力，包括抗振性和切削穩(wěn)定性。抗振性是機(jī)床抵抗受迫振動(dòng)的能力，與機(jī)床本身結(jié)構(gòu)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(jī)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(duì)位置和相對(duì)速度發(fā)生變化，惡化切削過(guò)程；又使得機(jī)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(jī)床的加工質(zhì)量在相當(dāng)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(jī)床振動(dòng)就成為機(jī)床動(dòng)態(tài)性能的首要研究?jī)?nèi)容。 機(jī)床振動(dòng)的類型分為： (1)自由振動(dòng)它是指彈性系統(tǒng)離開平衡位置之后，在無(wú)外界激振力作用下，僅靠其彈性恢復(fù)力來(lái)維持的振動(dòng)。自由振動(dòng)的頻率就是系統(tǒng)固有頻率。當(dāng)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(yùn)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(xù)作用下，彈性系統(tǒng)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(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(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程為激振力矢量。 對(duì)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(tǒng)運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)，從一般的廣義坐標(biāo)變換到主坐標(biāo)(也稱模態(tài)坐標(biāo))，把相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)方程變換成一組2個(gè)獨(dú)立的方程，求得系統(tǒng)在每個(gè)主坐標(biāo)上的響應(yīng)，然后得到系統(tǒng)在一般廣義坐標(biāo)上的響應(yīng)。 (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(jī)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(xù)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(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生一個(gè)持續(xù)的作用，這個(gè)非周期的作用是只有通過(guò)系統(tǒng)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(duì)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(duì)振動(dòng)，反映在加工表面則是波紋度誤差。 不同的機(jī)械產(chǎn)品對(duì)振動(dòng)的要求、評(píng)價(jià)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)是不同的。對(duì)機(jī)床而言，其要求主要反映刀具與工件之間的相對(duì)振動(dòng)。從振動(dòng)原理上來(lái)分析，振動(dòng)評(píng)價(jià)的主要指標(biāo)有： 1)固有頻率。在同類結(jié)構(gòu)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(qiáng)烈。 3)振型。即機(jī)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(shù)來(lái)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(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，也可能是會(huì)產(chǎn)生疲勞破壞的位置。所以，對(duì)機(jī)床來(lái)說(shuō)應(yīng)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(duì)振動(dòng)特性采取措施以提高機(jī)床自身的抗振性能。具體到機(jī)床結(jié)構(gòu)上；一是提高結(jié)構(gòu)自身剛度，二是消除或減弱機(jī)床優(yōu)勢(shì)振型，使機(jī)床在各種動(dòng)態(tài)力的作用下，刀具與工件的相對(duì)振動(dòng)量控制在加工質(zhì)量所允許的范圍之內(nèi)。其中，提高機(jī)床結(jié)構(gòu)動(dòng)剛度的措施有： 1)提高平面磨床構(gòu)件的靜剛度和固有頻率。 2)改善平面磨床結(jié)構(gòu)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(cè)試試驗(yàn)；二是數(shù)學(xué)方法做理論建模分析；三則是對(duì)前兩種方法取長(zhǎng)補(bǔ)短，作綜合分析。以上方法的本質(zhì)都是通過(guò)對(duì)實(shí)際機(jī)床或模型作激振，根據(jù)信號(hào)輸入方式的不同，采用不同的分析測(cè)量方法，研究機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能，以找到影響機(jī)床動(dòng)態(tài)性能的薄弱環(huán)節(jié)，提出改進(jìn)方案，以期通過(guò)結(jié)構(gòu)合理改進(jìn)，或安裝有效的減振裝置，達(dá)到提高機(jī)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(shè)計(jì)，建立準(zhǔn)確合理的動(dòng)力學(xué)模型是關(guān)鍵。機(jī)床是一個(gè)多部件組成的復(fù)雜系統(tǒng)，要建立起能夠確切模擬機(jī)床結(jié)構(gòu)和各項(xiàng)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：一是通過(guò)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)進(jìn)行系統(tǒng)識(shí)別，二是通過(guò)解析法或數(shù)值法進(jìn)行理論建模。 根據(jù)平面磨床的設(shè)計(jì)圖紙或?qū)嶋H結(jié)構(gòu)，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(jī)床的動(dòng)力分析和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)中，最常見的有集中參數(shù)模型、分布質(zhì)量梁模型和有限單元模型三種。 (1)集中參數(shù)模型對(duì)于復(fù)雜的機(jī)床結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，它的慣性(質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量)、彈性和阻尼都是相當(dāng)復(fù)雜的，必須作簡(jiǎn)化才能建立起可供實(shí)際應(yīng)用的動(dòng)力學(xué)模型。最方便的簡(jiǎn)化辦法是：結(jié)構(gòu)的質(zhì)量用分散在有限個(gè)適當(dāng)點(diǎn)上的集中質(zhì)量來(lái)置換，結(jié)構(gòu)的彈性用一些沒(méi)有質(zhì)量的當(dāng)量彈性梁來(lái)置換，結(jié)構(gòu)的阻尼假設(shè)為遲滯型的結(jié)構(gòu)阻尼，結(jié)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(jié)構(gòu)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)稱為集中參數(shù)模型。 (2)分布質(zhì)量梁模型集中參數(shù)模型，特別是子結(jié)構(gòu)較大而又將其質(zhì)量集中在當(dāng)量單元梁的兩端時(shí)，顯然比較粗糙，不可能很好地逼近結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)的精度較低。增加子結(jié)構(gòu)的數(shù)目，以及改進(jìn)子結(jié)構(gòu)質(zhì)量的簡(jiǎn)化方式，都可以提高模型的模擬精度。將子結(jié)構(gòu)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(jì)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(shù)模型相比，是模擬實(shí)際結(jié)構(gòu)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(fù)雜化而提高，計(jì)算工作量大。集中參數(shù)模型最簡(jiǎn)單，模擬精度最低，計(jì)算工作量最小，難于得到和實(shí)際結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的精度比集中參數(shù)模型高，計(jì)算工作量則比有限元模型小。 隨著結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、動(dòng)態(tài)試驗(yàn)與分析、計(jì)算機(jī)技術(shù)等飛速發(fā)展，機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能問(wèn)題研究已逐漸形成了統(tǒng)一的機(jī)械動(dòng)力學(xué)這一交叉學(xué)科。其中，針對(duì)機(jī)床動(dòng)態(tài)性能研究的稱為機(jī)床動(dòng)力學(xué)。機(jī)床動(dòng)力學(xué)主要研究機(jī)床動(dòng)態(tài)性能分析及針對(duì)動(dòng)態(tài)性能的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)。 1．平面磨床動(dòng)態(tài)性能分析 在動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，分析機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能有兩種途徑：一是通過(guò)對(duì)機(jī)床進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)試采集相關(guān)信號(hào)分析機(jī)床的性能；二則是針對(duì)理論動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行解析或數(shù)值求解。 動(dòng)態(tài)測(cè)試分析主要應(yīng)用激振響應(yīng)法測(cè)定機(jī)床結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，包括固有頻率、各階主振型、結(jié)構(gòu)上指定點(diǎn)的頻率位移響應(yīng)等。通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出機(jī)床結(jié)構(gòu)的相對(duì)薄弱環(huán)節(jié)從而為結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供方向，這種方法雖然不能定量地指出結(jié)構(gòu)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(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(xué)理論導(dǎo)出表征力學(xué)特征的方程，結(jié)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(jié)果簡(jiǎn)單，物理意義明確，可以得到對(duì)設(shè)計(jì)有指導(dǎo)性或普遍性意義的結(jié)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(shù)值解法是對(duì)表征力學(xué)特征的方程進(jìn)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(xué)理論基礎(chǔ)是彈塑性力學(xué)的變分原理。對(duì)于平面磨床這類復(fù)雜的組合結(jié)構(gòu)，比起將結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)特征，直觀形象，并且易于實(shí)行便于掌握，將會(huì)有更廣闊的應(yīng)用前景。 相對(duì)于動(dòng)態(tài)測(cè)試分析法，理論分析法可以在沒(méi)有結(jié)構(gòu)硬件的條件下進(jìn)行，有效地節(jié)省研制時(shí)間和經(jīng)費(fèi)。但是理論建模由于邊界問(wèn)題難于保證模型的正確性。可見動(dòng)態(tài)測(cè)試分析和理論計(jì)算分析這兩種方法各有所長(zhǎng)，也各有不足，把兩者結(jié)合起來(lái)應(yīng)用是當(dāng)前進(jìn)行機(jī)床動(dòng)態(tài)性能分析最經(jīng)濟(jì)有效的途徑。 2．平面磨床動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì) 動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)旨在設(shè)計(jì)階段針對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，用經(jīng)濟(jì)有效的手段獲得具有預(yù)定動(dòng)態(tài)性能的結(jié)構(gòu)。 結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)可基本分為方案比較優(yōu)化法和參數(shù)自動(dòng)尋優(yōu)法兩類。其中參數(shù)自動(dòng)尋優(yōu)法 相對(duì)前者是一種新型的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，但對(duì)于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)化仍存在技術(shù)上的困難。方案比較法是比較傳統(tǒng)的方法。目前趨勢(shì)是以方案比較分析優(yōu)化為主，參數(shù)自動(dòng)尋優(yōu)為輔的設(shè)計(jì)方法。 總結(jié)上述分析可見，結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能分析是過(guò)程，有限元是手段，而結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)改進(jìn)設(shè)計(jì)是方法，提高機(jī)床動(dòng)態(tài)性能是目的，圖給出了機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。  圖 機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法 |
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