TX-1600G數(shù)控鏜銑加工中心鏜削系統(tǒng)變結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性分析*

舒啟林,王　儒,姚　淵,趙旭寧,祝振林

(1.沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,沈陽　110159;2.長安大學(xué) 汽車學(xué)院，西安　710064)

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TX-1600G數(shù)控鏜銑加工中心鏜削系統(tǒng)變結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性分析*

舒啟林1,王儒1,姚淵2,趙旭寧1,祝振林1

(1.沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,沈陽110159;2.長安大學(xué) 汽車學(xué)院，西安710064)

摘要：針對鏜削系統(tǒng)振動(dòng)對加工零件精度影響問題，以TX-1600G數(shù)控加工中心鏜削系統(tǒng)為研究對象,利用三維建模軟件對鏜削系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)體三維建模，并以鏜削主軸進(jìn)給量和鏜滑臺位置為參數(shù),離散化鏜削系統(tǒng)加工空間,對鏜銑系統(tǒng)典型工作位置進(jìn)行模態(tài)仿真,通過對鏜削系統(tǒng)典型工作位置模態(tài)云圖分析，選擇動(dòng)態(tài)特性良好的工作空間進(jìn)行零件加工，提高零件加工精度，并為加工中心的整體分析優(yōu)化提供參考參數(shù)。

關(guān)鍵詞：模態(tài)分析；變結(jié)構(gòu)分析；鏜削系統(tǒng)；有限元分析

0引言

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對產(chǎn)品零件的加工質(zhì)量要求越來越高的同時(shí)也對數(shù)控機(jī)床的加工效率提出了更高的要求。為了提高數(shù)控加工的效率，目前很多加工企業(yè)采用高速加工技術(shù)。高速加工尤其適用于輕合金和復(fù)合材料，由于95%的熱量被切屑帶走，從而使零件熱變形較小，提高加工效率的同時(shí)也提高了加工質(zhì)量。

Mazak公司FF510臥式加工中心采用了直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，進(jìn)給速度60m/min，加速度2g，主軸轉(zhuǎn)速高達(dá)60000r/min，功率80kW。高速加工僅僅提高主軸轉(zhuǎn)速是不能完成高速切削的，還需要高速進(jìn)給軸，以減少加工時(shí)間和非加工時(shí)間。由于機(jī)床坐標(biāo)軸要承受1～5g加速度，要求其具有高剛性以及良好的動(dòng)態(tài)特性[1-2]。對于動(dòng)態(tài)特性研究，哥倫比亞大學(xué)學(xué)者Y.Altintas首先通過靜態(tài)模態(tài)錘擊實(shí)驗(yàn)法識別出的數(shù)控機(jī)床立柱的模態(tài)參數(shù)。西班牙學(xué)者M(jìn).Zatarain用有限元方法對立柱移動(dòng)式銑床進(jìn)行模態(tài)分析采用Nastran和I-deas兩種商用軟件，建立包括床身、立柱、頭架及他們之間的滾動(dòng)導(dǎo)軌結(jié)合部在內(nèi)的整機(jī)模型，并進(jìn)行了模態(tài)分析[3-5]。

機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性好壞決定了其加工零件時(shí)振動(dòng)的大小，若引起共振不僅會(huì)使零件加工質(zhì)量下降，也可能會(huì)使機(jī)床產(chǎn)生崩刃現(xiàn)象，使加工過程無法進(jìn)行下去。

1TX-1600G鏜削系統(tǒng)建模

TX-1600G鏜銑加工中心是以現(xiàn)有的加工中心技術(shù)為基礎(chǔ)，以軍用車輛復(fù)雜的箱體結(jié)構(gòu)零件為加工對象，通過組合創(chuàng)新和工藝原理性創(chuàng)新相結(jié)合，在國家863計(jì)劃支持下自行研發(fā)的精密復(fù)合式鏜銑機(jī)床。其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示，該加工中心主要由三大系統(tǒng)組成：①銑削加工系統(tǒng);②鏜削加工系統(tǒng);③床身與液壓工作轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)具有很多優(yōu)點(diǎn):①針對大型箱體該加工中心可以在一次夾裝工件的情況下實(shí)現(xiàn)對其五個(gè)表面進(jìn)行加工，減小了由于多次夾裝定位引起的誤差，提高工件的加工質(zhì)量;②可以一次性實(shí)現(xiàn)鏜孔、鉆孔、攻絲等復(fù)雜的復(fù)合式加工工序，提升了加工效率，降低了加工成本。該加工中心的加工對象是鋁合金材料的復(fù)雜箱體。

1.床身 2.銑立柱 3.工作轉(zhuǎn)臺 4.橫梁 5.銑滑臺 6.主軸箱 7.鏜立柱 8.鏜滑臺 9.滑枕

圖1Tx1600G鏜銑加工中心模型

鏜削系統(tǒng)是該加工中心的重要組成部分，主要用于大型復(fù)雜箱體側(cè)面孔和復(fù)雜曲面加工。如圖2所示，該模型運(yùn)用SolidWorks三維建模軟件建立。鏜削系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性直接影響鏜削加工的精度。選擇合適的加工位置可以提升加工精度，因此對鏜削系統(tǒng)變結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性分析是十分必要的。

圖2　軟件三維模型

2鏜削系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性分析

TX-1600G鏜銑加工中心在進(jìn)行鏜削加工時(shí)，鏜削系統(tǒng)滑臺的位置和速度是不斷變化的，并且鏜削主軸的轉(zhuǎn)速變化也會(huì)帶來慣性力以及激勵(lì)頻率的變化，這些都會(huì)對鏜削系統(tǒng)的振動(dòng)產(chǎn)生影響[6-7]。

由結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)相關(guān)知識可得，機(jī)床鏜削系統(tǒng)的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程為：

mx″+cx′+kx=0

(1)

式中m—鏜削系統(tǒng)的質(zhì)量矩陣；c—鏜削系統(tǒng)的阻尼矩陣；k—鏜削系統(tǒng)的剛度矩陣。

對上式進(jìn)行模態(tài)坐標(biāo)變換，可求解出鏜削系統(tǒng)的固有頻率和相應(yīng)的振型[3]。通過模態(tài)疊加法則可以得到鏜削系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)方程為：

(2)

式中：X/P—鏜削系統(tǒng)的動(dòng)剛度；A(r)—第r階振型；Kr—第r階模態(tài)剛度；ωnr—第r階固有頻率；ζr—第r階模態(tài)阻尼比。

機(jī)床鏜削系統(tǒng)在加工零件過程中鏜削主軸的振動(dòng)情況是動(dòng)態(tài)變化的，掌握鏜削系統(tǒng)各個(gè)加工位置的動(dòng)態(tài)特性是提高機(jī)床性能的有效途徑[8]。而且精密加工對孔和曲面加工精度要求極高，它的動(dòng)態(tài)特性直接影響加工的精度和質(zhì)量，所以了解和掌控銑削系統(tǒng)變結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性是十分有必要的。

3模態(tài)分析

3.1模態(tài)分析概述

模態(tài)是機(jī)械結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)特性，每一個(gè)模態(tài)具有特定的固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。模態(tài)參數(shù)可以由計(jì)算或?qū)嶒?yàn)分析得出，這樣一個(gè)計(jì)算或?qū)嶒?yàn)分析過程稱為模態(tài)分析[9]。由于阻尼比只影響振幅,不影響振動(dòng)頻率,故本次分析忽略阻尼比。

多自由度系統(tǒng)無阻尼自由振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程為：

mx″+kx=0

(3)

設(shè)該方程的解為:x=Aeiωnt

則

(4)

把式(4)代入式(3)得:

(5)

整理后得：

(6)

3.2模態(tài)分析過程

利用Solidworks軟件建立TX-1600G鏜削系統(tǒng)的三維實(shí)體模型，并對其進(jìn)行簡化處理。把處理過的三維模型導(dǎo)入到有限元分析軟件Abaqus中。

定義材料屬性：TX-1600G鏜銑加工中心的立柱、滑臺、以及鏜削主軸箱的材料均為HT300，彈性模量為157GPa,泊松比為0.23，密度為7.532×103kg/m3。

網(wǎng)格劃分：運(yùn)用abaqus網(wǎng)格劃分工具，選擇C3D10單元類型，完成網(wǎng)格劃分，如圖3所示，共生成119184個(gè)節(jié)點(diǎn)，72367個(gè)單元。

施加約束：為增加計(jì)算精度，考慮結(jié)合面剛度對模態(tài)分析的影響，以彈簧阻尼器模擬結(jié)合面剛度，結(jié)合面主要包括直線滾子導(dǎo)軌副和滾珠絲杠副，該加工中心選用的直線滾子導(dǎo)軌和滾珠絲杠型號為RA65GMC1B**P43和DFD5020-3C3Z-1590/1871，其剛度數(shù)值由NSK精機(jī)產(chǎn)品手冊提供,剛度為0.27e9N/m和0.91e9N/m,對銑削系統(tǒng)底部進(jìn)行固定約束[10]。

圖3　鏜削系統(tǒng)有限元模型

由于振動(dòng)變形量對一階模態(tài)最為敏感，故本次分析只考慮一階模態(tài)。以鏜刀刀柄位置最低處為坐標(biāo)原點(diǎn)，建立工作空間坐標(biāo)系，如圖4所示。經(jīng)求解得出其九個(gè)典型工作位置一階振型，以下為模態(tài)振型圖，如圖5～圖13所示。

圖4　鏜銑系統(tǒng)工作空間坐標(biāo)系

圖5　x=0，y=0一階模態(tài)振型圖

圖6　x=0，y=725一階模態(tài)振型圖

圖7　x=0，y=1450一階模態(tài)振型圖

圖8　x=725，y=0一階模態(tài)振型圖

圖9　x=725，y=725一階模態(tài)振型圖

圖10　x=725，y=1450一階模態(tài)振型圖

圖11　x=1450，y=0一階模態(tài)振型圖

圖12　x=1450，y=725一階模態(tài)振型圖

圖13　x=1450，y=1450一階模態(tài)振型圖

模態(tài)分析結(jié)果如表1所示，表明鏜削系統(tǒng)的一階模態(tài)振型主要是彎曲以及扭曲，并且得到鏜削系統(tǒng)九個(gè)典型工作位置的固有頻率，其一階固有頻率范圍為31.598～42.972Hz。最大位移發(fā)生頂部伺服電機(jī)和鏜削主軸前端，說明該位置剛度最低，易發(fā)生變形。應(yīng)用MATLAB軟件對所得數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到變結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率圖譜和變結(jié)構(gòu)刀柄振動(dòng)位移圖譜，如圖14、圖15所示，可以更直觀的了解模態(tài)的變化，在加工零件時(shí)應(yīng)選擇固有頻率較低處加工位置，并避免在一階固有頻率2.5倍范圍之內(nèi)工作。

表1　模態(tài)分析結(jié)果

圖14　變結(jié)構(gòu)模態(tài)頻率圖譜

圖15　變結(jié)構(gòu)刀柄振動(dòng)位移圖譜

4結(jié)論

本文通過模態(tài)分析獲得對TX-1600G鏜削系統(tǒng)振動(dòng)最敏感的一階模態(tài)振型云圖，并且通過分析振型云圖指出應(yīng)加強(qiáng)立柱中部和鏜削主軸前端剛度。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了應(yīng)用matlab軟件對分析數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到了一階模態(tài)頻率圖譜和刀柄振動(dòng)位移圖譜，通過圖譜分析可知選擇合適的加工位置可使機(jī)床固有頻率最高降低26%，提升加工精度。

通過對加工中心鏜削系統(tǒng)的模態(tài)分析，獲得了鏜削系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，為以后提升加工中心加工性能的方案提供參考。

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(編輯李秀敏)

文章編號：1001-2265(2016)07-0023-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.07.007

收稿日期：2015-08-05；修回日期：2015-09-19

*基金項(xiàng)目：國家863計(jì)劃項(xiàng)目(2012AA041303)

作者簡介：舒啟林(1969—)，男，四川彭州人，沈陽理工大學(xué)教授,博士研究生，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造技術(shù)，(E-mail)shuqilin@139.com；通訊作者：王儒(1987—)，男，黑龍江綏化人，沈陽理工大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)數(shù)控技術(shù)及其應(yīng)用，(E—mail)011wangyu110@163.com。

中圖分類號：TH122；TG537

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

TX-1600G NC Boring and Milling Machining Center Analysis onDynamicCharacteristicsofSystemVariableStructure

SHU Qi-lin1,WANG Ru1, YAO Yuan2,ZHAO Xu-ning1,ZHU Zhen-lin1

(1.CollegeofMechanicalEngineering,ShenyangUniversityofScienceandTechnology,Shenyang110159,China;2.CollegeofAutomobile,Chang'anUniversity,Xi'an710064,China)

Abstract：Aiming at the problem of effects of boring system vibration on machining accuracy,research object of the boring system of TX-1600G NC Machining Center.Using 3D modeling software,the 3D modeling of the boring system is carried out,taking the boring and boring spindle feed slide position parameters,machining space of discrete boring system,mode simulation of typical working position of boring and milling machine,analysis of typical operating position mode cloud image of boring system,select the dynamic characteristics of the work space for parts processing,improve processing accuracy and provide reference parameters for the whole analysis and optimization of machining center.

Key words：modal analysis;variable structure analysis;boring system;finite element analysis