機床動態(tài)特性研究與優(yōu)化

劉翠煜， 鐘建琳

（北京信息科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，北京 100192）

0 引言

加工精度是金屬切削加工中評價零件是否合格的重要指標(biāo)。機床的動態(tài)性能對其加工精度和加工效率都有直接的影響。性能不足往往會導(dǎo)致關(guān)鍵部件加工過程中產(chǎn)生變形，引起機床振動，導(dǎo)致切削不穩(wěn)定，直接影響產(chǎn)品的加工質(zhì)量和生產(chǎn)安全，尤其是在高速切削加工過程中，機床各結(jié)構(gòu)部件必須具有良好的動態(tài)特性。

1 機床動態(tài)特性研究內(nèi)容及方法

機床性能在很大程度上取決于其動靜態(tài)特性，它直接決定了加工中心強度、剛度、動態(tài)性能、加工穩(wěn)定性和精度等性能指標(biāo)。

機床的動態(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而變化的特性［1］。

機床動態(tài)特性的研究主要涉及機床的4個方面：1）機床本體結(jié)構(gòu)的動態(tài)性能分析；2）機床傳動部件的動態(tài)性能分析；3）機床結(jié)合部面的動態(tài)性能分析；4）機床旋轉(zhuǎn)部件的動態(tài)性能分析。隨著資源化和綠色化理念的不斷深入，以及用戶的迫切性需求，現(xiàn)階段使用最為廣泛的分析方法是模態(tài)試驗與動力學(xué)仿真相結(jié)合的方法，能夠有效地實現(xiàn)機床性能的優(yōu)化。

2 機床薄弱環(huán)節(jié)的研究與優(yōu)化設(shè)計

機床是由床身、立柱、主軸箱和主軸等關(guān)鍵部件以及其它零部件組成的一個復(fù)雜整體，零部件的動態(tài)特性直接決定了整機的性能。因此，提高薄弱環(huán)節(jié)零部件的性能可以有效地提高機床整體性能。目前研究的主要方向是通過設(shè)計優(yōu)化，改變機床零部件的結(jié)構(gòu)或尺寸以達(dá)到增大剛度提高其固有頻率，或利用阻尼器增大系統(tǒng)阻尼的目的。

顫振的出現(xiàn)是機械系統(tǒng)動態(tài)特性不足的明顯表現(xiàn)，減少加工中的顫振現(xiàn)象可有效地改善刀具與工件間的位置關(guān)系，減小工件變形，提高工件的加工質(zhì)量。D.eaBarrenetx等［2］提出了CWSV方法，可避免不同機加工過程中的顫振不穩(wěn)定性；Janez Gradisek等［3］提出基于信息熵和CIR指標(biāo)的顫振檢測方法；L.Andolfatto［4］等則研究了機床動態(tài)誤差的來源。

立柱和橫梁是支撐刀具運動的主要承載部件，刀具運動導(dǎo)致立柱和橫梁受力變化，剛度不足的情況下會導(dǎo)致變形?？捣降龋?］重點分析了機床立柱的動態(tài)特性，選擇用封閉式三角形的加強筋形式的內(nèi)側(cè)加強筋立柱，確保機床具有穩(wěn)定、強韌的基礎(chǔ)；孫明楠等［6］采用基于Armijo搜索準(zhǔn)則的擬牛頓BFGS算法對結(jié)合部動力學(xué)參數(shù)進行優(yōu)化計算，以優(yōu)化其各階模態(tài)頻率和阻尼比；趙海霞等［7］在立柱外形尺寸不變的條件下，對立柱內(nèi)部筋板結(jié)構(gòu)和布局作相應(yīng)修改，并在立柱內(nèi)部設(shè)計了斜支撐形式的筋板；李明等［8］認(rèn)為橫梁及其上滑枕是主要的薄弱環(huán)節(jié)，通過在橫梁內(nèi)部增加豎筋，減少滑枕兩側(cè)圓孔提高其剛度；趙海霞等［7］為提高橫梁抗扭剛度，采用對角筋板抗扭理論，將橫梁內(nèi)部的縱向的筋板改為了雙X型，筋板布置角應(yīng)盡量與水平面成45°和135°；另外，為加強x、y平面方向上的彎曲剛度，在橫梁內(nèi)部設(shè)計了一對斜支撐形式的筋板。

研究表明，機床振動的60%來自于結(jié)合面，機床靜剛度的30%～50%以及阻尼的90%以上均取決于結(jié)合面。目前，國內(nèi)外針對結(jié)合面的研究集中于建立其理論等效模型以期獲得更符合需求的聯(lián)結(jié)性能。Sun-Min Kim、F Orynski等［9］提出了通過彈簧阻尼單元模擬結(jié)合面的經(jīng)典方法；黃玉美、張學(xué)良等［10］提出了用 8節(jié)點單元模擬結(jié)合面；田紅亮［11］提出一種可直接計算虛擬材料參數(shù)的方法，該方法根據(jù)連接面的一些參數(shù)直接計算虛擬材料的彈性模量、泊松比和密度，從而進行動力學(xué)仿真；王書亭等［12］分形接觸M-B模型，并建立了描述結(jié)合面特性的虛擬材料模型；李奎等［13］則從研究機床結(jié)合面參數(shù)入手進行研究。

同時，機床的床身承載了機床的所有運動部件，也是決定機床剛度的重要環(huán)節(jié)。針對床身的研究主要是為了保證加工穩(wěn)定性。蘭州理工大學(xué)的Wang Fu qiang等［14］則對數(shù)控機床床身的動態(tài)特性進行了研究；魏建中等［15］提出提高機床床身的剛性、加固地基基礎(chǔ)，以減少動態(tài)特性對銑削力的影響。

此外，部分學(xué)者還對機床的夾具進行了研究和改進。Hui Yun Hwang等［16］為提高組合機床夾持部位的剪切性能，提出需嵌入金屬芯或套筒以提高固有頻率和阻尼。Armillotata等［17］提出一種方法,通過一組普遍的夾具結(jié)構(gòu)幾何誤差參數(shù),進行運動分析和誤差分析。

3 總結(jié)與展望

國內(nèi)開展機床動態(tài)特性的研究幾十年，取得了顯著的成績，研究理論及方法已基本成熟。但在行業(yè)內(nèi)至今還沒有一個針對機床整體進行動態(tài)特性研究的評價驗收標(biāo)準(zhǔn)或者規(guī)范。

總結(jié)現(xiàn)狀，未來的研究方向主要集中于以下幾點：

1）開闊研究思路。目前的研究更多的是基于用戶需求，這些需求往往比較容易解決，而對于需求外的研究卻較少。

2）深入研究。當(dāng)前研究的重點仍是機床的模態(tài)、阻尼比和動剛度等，機床結(jié)構(gòu)動態(tài)精度才是機床動態(tài)特性分析的重點，卻很少有研究涉及其深度。

3）增強資源的共享和交互性。目前機床動態(tài)參數(shù)庫還不完善，無法很好地實現(xiàn)資源的共享和利用。

4）構(gòu)建行業(yè)內(nèi)針對特定部件或機床整體進行動態(tài)特性研究的評價驗收標(biāo)準(zhǔn)或者規(guī)范。

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