TX1600G復合式鏜銑加工中心銑削系統(tǒng)動力學特性研究

陳趙泉，舒啟林

(沈陽理工大學 機械工程學院，沈陽110159)

隨著數控技術的發(fā)展，傳統(tǒng)加工條件下對機床動態(tài)性能影響不大的因素在現代加工中可能引起機床振動和精度弱化。機床結構的動力學特性即其中一個重要因素，當加工工序確定后，機床工作位置的變化就成了時間的函數，這種工作空間的時變特性將引起機床整機的剛度以及質量分布的時變，從而導致機床動態(tài)特性的時變。因此，掌握機床加工中心的動態(tài)特性是改進機床的加工性能，提高加工精度的一個關鍵因素[1-2]。

對于動態(tài)特性的研究，臺灣國立科技大學學者J P Hung等通過模態(tài)敲擊實驗獲取了機床立柱的動力學特性，深入分析了主軸箱加工位置以及直線導軌預緊力對立柱結構動態(tài)特性的影響，研究得出了主軸箱加工位置及其立柱的預緊力對立柱的動力學特性的影響[3]。華中科技大學的Peng F Y針對機床實際加工中工作臺位置隨時間變化計算時變函數，同時考慮工件的切除量因素，分析出不同加工位置與工件的加工質量對機床結構動力學特性的不同影響，得出工作臺位置的變化及被加工零件質量的改變都會影響機床的固有模態(tài)參數[4]。加拿大學者 M A EIbestawi等對高速銑削磨削復合加工中心進行了模態(tài)分析，通過三維建模軟件建立加工中心的三維模型。通過有限元軟件進行分析，求解出復合加工中心結構的各階固有頻率和模態(tài)振型、整機阻尼比；同時選擇在樣機上進行動態(tài)測試，獲得結合面動剛度參數；最后得到整機動力學特性參數，經過樣機動態(tài)測試對比修正，從而獲得更加準確的結果[5]。

機床動力學特性的好壞決定了其加工零件時振動的大小，若引起共振則會使零件的加工質量降低，甚至會導致崩刃，威脅人身安全，造成事故[6]。本文針對TX1600G銑削系統(tǒng)進行動力學特性研究，研究銑削加工振動對加工精度的影響，對銑削系統(tǒng)典型工作位置進行模態(tài)分析。

1 TX1600G 銑削系統(tǒng)建模

TX1600G復合式鏜銑加工中心是在“國家863計劃”支持下自主研發(fā)的中型復合式鏜銑數控機床，采用龍門銑與臥式鏜的新型結構組合，主要加工中型復雜箱體。TX1600G復合式鏜銑加工中心主要結構如圖1所示，加工中心一般由三大系統(tǒng)結構組成：①銑削加工中心；②鏜削加工中心；③床身與液壓工作轉臺。此加工中心具有特殊的結構優(yōu)點：①加工中心可以一次裝夾，五軸聯(lián)動，減小定位誤差，提高加工效率；②加工中心一次性完成多種銑鏜加工工序，降低成本，提升質量。

1.床身；2.銑立柱；3.工作臺；4.橫梁；5.銑滑臺；6.主軸箱；7.鏜立柱；8.鏜滑臺；9.滑枕

圖1 TX1600G復合式鏜銑加工中心模型

銑削系統(tǒng)是TX1600G復合式鏜銑加工中心的關鍵，銑削系統(tǒng)的動力學特性直接影響銑削加工的工藝進度，進而影響到整個箱體加工的精度、運動的穩(wěn)定性以及箱體的使用壽命。因此選擇合適的銑削加工位置是提高銑削加工精度與質量的關鍵，而銑削系統(tǒng)的動態(tài)特性研究則是提高銑削質量保證精度必要手段[7]。

2 銑削系統(tǒng)動態(tài)特性理論分析

TX1600G復合式鏜銑加工中心進行銑削加工時，銑滑臺與銑削主軸的位置與速度是不斷變化的，且銑削主軸在停止與啟動的換向過程中，由于速度急劇變化帶來慣性力影響到機床機械系統(tǒng)的動態(tài)特性。因此不同的銑削加工位置，不同速度下的阻尼特性，剛度特性都會影響到銑削系統(tǒng)加工的穩(wěn)定性[8]。

由機床的結構動力學可知，機床銑削系統(tǒng)的系統(tǒng)動力學特性方程為

mX″+cX′+kX=0

(1)

式中：m、c、k分別代表銑削系統(tǒng)的質量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；X″、X′、X分別代表銑削系統(tǒng)各個加工位置點的加速度、速度和位移。

對式(1)進行模態(tài)坐標變換，可求出銑削系統(tǒng)的前6階固有頻率與其相應的振型，通過對銑削系統(tǒng)典型工作位置模態(tài)云圖的分析，選擇動態(tài)性能良好的工作空間進行加工，從而提高零件的加工精度，對機床的整體優(yōu)化提供參考[9]。

機床系統(tǒng)動力學特性方程在無阻尼、無振動的情況下一般可表示為

mX″+kX=0

(2)

機床結構的自由振動為簡諧振動，位移X可表示成正弦函數，即

X=xsin(ωt)

則X可表示為X=Aeiωnt

(3)

把式(3)帶入式(2)式中可得

整理后得

(4)

3 模態(tài)分析

3.1 模態(tài)分析過程

通過 Solidwork 軟件繪制TX1600G復合式鏜銑加工中心銑削系統(tǒng)的結構模型，保存模型結構文本轉化為X_T格式，導入有限元分析軟件 ANSYS Work-bench，建立TX1600G銑削系統(tǒng)的有限元分析模型，如圖2所示。由于TX1600G銑削系統(tǒng)的結構相對復雜，在系統(tǒng)建模過程中必須對TX1600G銑削系統(tǒng)結構進行適當簡化，刪除斜角、圓角、圓孔等，提高仿真效率。

圖2 TX1600G銑削系統(tǒng)有限元模型

定義材料屬性：TX1600G復合式鏜銑加工中心銑削系統(tǒng)的立柱、橫梁、銑滑臺、主軸箱材料均為HT300，彈性模量E=157GPa，泊松比μ=0.23，密度ρ=7.352×103kg/m3,設定導軌材料40Cr，彈性模量E=206GPa，泊松比μ=0.25，密度ρ=7.82×103kg/m3。

定義接觸方式:機床立柱底部與驅動電機設置為固定，其余銑削系統(tǒng)根據實際情況設置成移動副。

劃分網格：運用ANSYS Work-bench Mesh系統(tǒng)自動進行網格劃分，選擇單元類型soild187(10節(jié)點的四面體單元)，選用Automatic網格劃分方法，銑削系統(tǒng)共生成785571個節(jié)點，522074個單元。

機床銑削系統(tǒng)振動變形量在一階模態(tài)下變化最為明顯，所以實驗采用單自由度模態(tài)分析法著重研究銑削系統(tǒng)的一階模態(tài)。設置坐標原點O為銑削系統(tǒng)銑刀刀柄處，建立XY軸空間直角坐標系，如圖3所示，運用ANSYS Work-bench軟件分析求解得出銑削系統(tǒng)九個典型工作位置的一階振型，得到對應的一階模態(tài)振型圖，如圖4～圖12所示。

圖3 銑削系統(tǒng)工作空間坐標系

圖4 x=0，y=0一階模態(tài)振型圖

圖5 x=0，y=550一階模態(tài)振型圖

圖6 x=0，y=1100一階模態(tài)振型圖

圖7 x=610，y=0一階模態(tài)振型圖

圖8 x=610，y=550一階模態(tài)振型圖

圖9 x=610，y=1100一階模態(tài)振型圖

圖10 x=1220，y=0一階模態(tài)振型圖

圖11 x=1220，y=550一階模態(tài)振型圖

圖12 x=1220，y=1100一階模態(tài)振型圖

3.2 模態(tài)分析結果

根據圖4～圖12，模態(tài)分析結果如表1所示。

表1 模態(tài)分析結果

模態(tài)分析結果表明：銑削系統(tǒng)九個典型工作位置的一階振型主要是彎曲與扭曲，根據典型位置的圖像顯示主軸箱主要沿X、Y方向發(fā)生擺動，且機床在九個位置處的固有頻率相差不大，表明主軸箱沿這兩個方向上擺動的剛度相差不大。同時得到銑削系統(tǒng)九個典型的工作位置的固有頻率，一階固有頻率范圍為32.479～38.795Hz且沿Y軸逐漸遞增，刀柄總位移根據刀柄最低處顏色深淺、結合模態(tài)分析圖像得出具體數據。銑削系統(tǒng)位移偏移量在銑削主軸的刀柄最低處以及伺服電機頂部達到最大，說明這兩個位置相比于其他部件剛度較低，易發(fā)生形變，會對加工精度產生影響；因此在結構設計過程中，有必要加強主軸箱與刀柄處銑頭的剛度，從而減小系統(tǒng)誤差。采取措施盡量在不增加重量和工藝制造難度的情況下，適當地增加伺服電機頂端部件的厚度，以提高其剛度。銑削加工位置應當選取銑削系統(tǒng)橫梁的兩端X=0mm與X=1200mm處，加工精度穩(wěn)定性相比橫梁中間位置X=600mm有較大的提升。運用Matlab軟件V4插值法對所得的數據進行擬合，得到TX1600G銑削系統(tǒng)的一階模態(tài)頻譜圖(圖13)和銑削系統(tǒng)刀柄的位移譜圖(圖14)，可更直觀的了解銑削系統(tǒng)一階模態(tài)的變化，加工零件時選擇合適的位置進行加工，避免在一階固有頻率范圍內發(fā)生共振。

圖13 銑削系統(tǒng)模態(tài)頻譜圖

圖14 銑削系統(tǒng)刀柄位移譜圖

4 結論

運用SolidWork與ANSYS Work-Bench有限元分析軟件，建立TX1600G復合式鏜銑加工中心銑削系統(tǒng)的三維實體模型，對銑削系統(tǒng)典型加工位置進行一階模態(tài)分析，得到TX1600G銑削系統(tǒng)固有頻率和刀柄最低處位移量；利用Matlab V4插值法進行平面擬合，得到銑削系統(tǒng)的模態(tài)頻率圖譜以及刀柄最低處的位移圖譜；確定了機床銑削系統(tǒng)的動態(tài)特性參數，并提出了改善的建議。機床進行銑削加工時，電機選擇的工作頻率應當遠離模態(tài)分析出的銑削系統(tǒng)固有頻率，避免共振，導致誤差。圖譜表明銑削刀柄最低處以及銑削系統(tǒng)伺服電機頂端剛度較低，銑削系統(tǒng)的剛度和固有頻率呈現出正相關遞增趨勢，加強兩處的剛度，可提高機床銑削系統(tǒng)的穩(wěn)定性。