復雜機床切削工藝系統的分析方法研究

張國智

ZHANG Guo-zhi

（新鄉學院 機電工程學院，新鄉 453000）

0 引言

機床切削加工系統是機械強力加工中目前應用最為廣泛、應用最早的制造工藝系統，長期以來，國內外工程技術人員、學者對此進行了大量的研究，如：對高速切削工藝參數優化系統的開發[1]，對切削過程的仿真分析[2～4]，基于遺傳算法的切削工藝參數優化研究[5]。

機床切削加工系統是一個非線性復雜系統，要想準確分析這樣一個復雜的系統非常困難，而且該系統呈現高度的非線性，收斂困難，其計算效率較低，為了提高分析效率，并且保證分析精度，必須做適當的分解和簡化。本文以機床切削加工系統的典型結構的分析為例，對根據分析目的進行工藝系統的分解、分析及結果評價等進行了深入系統的研究。

1 分析思路

機床切削加工工藝系統分析包括機床設備、工件、機床夾具和加工刀具四個部分的分析，以切削過程分析為核心，切削過程分析屬于高度非線性分析，涉及材料非線性、接觸非線性、幾何非線性，通過切削過程分析得到切削力，通常切削力通過半經驗、半理論、半數值模擬的手段得出。具體機床切削加工工藝系統分析思路如圖1所示。

圖1 機床切削加工工藝系統分析思路

2 復雜機床主軸的靜態剛度、強度分析

2.1 復雜機床主軸簡介

某復雜的機床主軸如圖2所示，其中，F1＝ 100N，F2＝ 300N，M2＝ 10000N ·mm，E＝200Gpa，m＝ 0.3。

2.2 靜態剛度、強度分析

應用梁單元對復雜的機床主軸進行分析，有限元模型如圖3所示，復雜主軸的彎矩如圖4所示，復雜主軸的剪力如圖5所示，各個截面最大彎曲應力如圖6所示，復雜主軸的撓度如圖7所示。

圖2 某復雜的機床主軸

2.3 分析模型的驗證

材料力學及梁單元的有限元計算結果對比如表1所示，從表1中，通過對比驗證了計算結果的正確性。

表1 材料力學及有限元計算結果對比表

圖3 復雜主軸的有限元模型

圖4 復雜主軸的彎矩

圖5 復雜主軸的剪力

圖6 各個截面最大彎曲應力

圖7 復雜主軸的撓度

圖8 復雜機床主軸第4階振形

3 復雜機床主軸的模態分析

對復雜機床主軸前10階模態進行了分析，復雜機床主軸第4階振形如圖8所示，復雜機床主軸10階模態頻率如表2所示。

表2 復雜機床主軸10階模態頻率

4 結論

本文針對復雜機床切削工藝系統分析，得到以下結論：

1）提出了復雜機床切削工藝系統的分析思路，該方法一方面保證了分析精度，另一方面有效地提高了分析效率。

2）基于該分析思路，以某復雜機床主軸為工程案例進行了靜態剛度、強度分析，得到了彎矩、剪力、各個截面彎曲應力、撓度，并對有限元分析模型進行了驗證。

3）基于該分析思路，以某復雜機床主軸為工程案例進行了模態分析，得到了其前10階的模態。

本文的研究為復雜機床切削工藝系統的快速、準確的設計與分析提供了方法和依據。

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