用模態(tài)分析技術(shù)對(duì)機(jī)床動(dòng)態(tài)切削性能的研究

董異誌，王 芳

（1.云南省先進(jìn)制造技術(shù)研究中心，云南 昆明 650031；2.云南省機(jī)電一體化應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650031）

0 引言

由云南機(jī)床廠研制的K360A 數(shù)控車床，能對(duì)黑色金屬、有色金屬、非金屬工件的內(nèi)外圓柱、圓錐以及其它形式的回轉(zhuǎn)表面進(jìn)行粗、精加工。前期對(duì)該機(jī)床進(jìn)行切削試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)夾持長(zhǎng)試件在接近尾座端切削時(shí)，車床易產(chǎn)生切削顫振，這是影響該車床動(dòng)態(tài)性能提高的主要問(wèn)題之一。本文提出了模擬實(shí)際切削加工工況，對(duì)主軸—工件—尾座系統(tǒng)相對(duì)刀架系統(tǒng)在接近尾座端時(shí)進(jìn)行正弦寬頻掃描激振下的整機(jī)試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，并根據(jù)模態(tài)參數(shù)識(shí)別結(jié)果，對(duì)薄弱部件進(jìn)行有限元模態(tài)分析處理，提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)措施和方案。

1 建模

為分析機(jī)床整機(jī)動(dòng)態(tài)特性，需建立機(jī)床三維模型，其模型結(jié)構(gòu)參照文獻(xiàn)[1]中圖1 的內(nèi)容。

圖1 1 階振型圖Fig.1 1 order modal figure

圖2 2 階振型圖Fig.2 2 order modal figure

2 試驗(yàn)方案

在對(duì)機(jī)床進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，模擬車床實(shí)際切削加工工況，用非接觸式電磁激振器對(duì)車床進(jìn)行激勵(lì)。

為減少周期簡(jiǎn)諧振動(dòng)對(duì)試驗(yàn)信號(hào)的干擾，突出機(jī)床固有特性和模態(tài)參數(shù)識(shí)別精度，在試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析過(guò)程中，主軸不旋轉(zhuǎn)，試驗(yàn)裝置和儀器布置圖見(jiàn)文獻(xiàn)[1]中圖3 和圖4。

由機(jī)床整機(jī)試驗(yàn)?zāi)B(tài)振型圖可看出，機(jī)床整機(jī)的薄弱部件主要是前床腳和后床腳兩個(gè)部件，對(duì)前、后床腳建模及用有限元進(jìn)行理論模態(tài)分析如圖3 和圖4 所示。

圖3 3 階振型圖Fig.3 3 order modal figure

圖4 前床腳(左)、后床腳(右)幾何模型Fig.4 Geometric model of the lathe's left foot、right foot

3 試驗(yàn)分析結(jié)果

車床系統(tǒng)是多結(jié)合面、多運(yùn)動(dòng)體的復(fù)雜結(jié)構(gòu)體，經(jīng)試驗(yàn)得出多階模態(tài)參數(shù)，詳細(xì)對(duì)頻響函數(shù)實(shí)頻圖和和虛頻圖及真假模態(tài)識(shí)別分析，選出了對(duì)車床動(dòng)態(tài)性能影響貢獻(xiàn)最大的四階試驗(yàn)?zāi)B(tài)為主要分析對(duì)象。

表1 K360A車床主要試驗(yàn)?zāi)B(tài)參數(shù)Tab.1Themainexperimentalmodalparametersof K360Alathe

表2 K360A車床前后床腳主要理論模態(tài)參數(shù)Tab.2ThemainmodalparametersoftheK360Alathe's leftandrightfoot

圖5 前床腳(左)、后床腳(右)第1 階振型Fig.5 1 order modal figure of the lathe's left foot and right foot

圖6 前床腳(左)、后床腳(右)第2 階振型Fig.6 2 order modal figure of the lathe's left foot and right foot

根據(jù)機(jī)床整機(jī)試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果，可以得出：

圖7 前床腳(左)、后床腳(右)第3 階振型Fig.7 3 order modal figure of the lathe's left foot and right foot

（1）機(jī)床的前、后床腳是機(jī)床的薄弱部件，在各階模態(tài)振型圖中，都有前、后床腳前、后墻板或是做前后搖擺振動(dòng)，或是做前后彎曲振動(dòng)；左、右墻板在各階模態(tài)振型圖中或是做左、右搖擺振動(dòng)，或是做左、右彎曲振動(dòng)；前、后床腳上支撐板在各階模態(tài)振動(dòng)中均做上、下彎曲振動(dòng)。

（2）1 階和2 階模態(tài)，主軸工件系統(tǒng)做前后擺動(dòng)；3 階和4 階模態(tài)，主軸工件系統(tǒng)做前后彎曲振動(dòng)。4 階模態(tài)中刀架均做前后擺動(dòng)。1 階模態(tài)中，刀架和主軸工件系統(tǒng)擺動(dòng)相位相反；2 階模態(tài)中，刀架和主軸工件系統(tǒng)擺動(dòng)相位相同。

（3）由于前、后床腳支撐不穩(wěn)，致使床身、主軸箱、尾座在水平平面內(nèi)做前后擺動(dòng)。2 階和4 階模態(tài)振型中床身在水平面內(nèi)做彎曲振動(dòng)。4 階振型中，主軸箱繞垂直軸做扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合整機(jī)試驗(yàn)?zāi)B(tài)和部件理論模態(tài)分析，提出以下結(jié)構(gòu)優(yōu)化修改建議：①前、后床腳理論模態(tài)頻率雖與試驗(yàn)?zāi)B(tài)頻率不一致，是由于在試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析中，在前、后床腳上支承板上有較大的質(zhì)量附重。只要理論模態(tài)和試驗(yàn)?zāi)B(tài)振型相同，用理論模態(tài)分析結(jié)果對(duì)提高機(jī)床的動(dòng)態(tài)切削性能優(yōu)化設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義；②應(yīng)增強(qiáng)主軸箱與床身的接觸剛度，增加尾座與尾座底板的夾持剛度；③對(duì)前、后床腳四周墻板增加相應(yīng)的加強(qiáng)筋，在開(kāi)窗的四周邊緣處增加凸臺(tái)和筋條，在墻板下端增加一定強(qiáng)度的支撐體和面。

[1]董異誌，劉曉惠，等.用相對(duì)激振法對(duì)數(shù)控車床的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2011，12.

[2]傅志方，華宏星.模態(tài)分析理論與應(yīng)用(第1 版)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2000.

[3]朱伯芳.有限元法原理與應(yīng)用(第3 版)[M].北京：中國(guó)水利水電出版社：知識(shí)產(chǎn)權(quán)出版社，2009.

[4]李德葆，等.實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析及其應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2001.

[5]楊肅，唐恒齡，廖伯瑜.機(jī)床動(dòng)力學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1983.

[6]張秀輝，胡仁喜，康士廷. ANASYS14.0 有限元分析從入門(mén)到精通（第1 版）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

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