磨削技術
高速機床的動態性能研究 |
| 發布時間：2020/6/29 |
| 高速加工技術應用需要為其提供操作平臺的高速加工機床。高速加工機床要實現高速加工技術優異的加工性能，則必須使自身的性能條件達到高速加工的要求。其中，機床的動態特性是最重要的性能指標，這一節就來討論高速磨床的動態分析方法及結構優化設計的相關 問題。 一、平面磨動態特性的理論 平面磨床動態特性是指機床系統在振動狀態下的特性，即機床在一定激振力下振幅和相位隨激振頻率變化的特性。機床的動態性能主要指抵抗振動的能力和穩定性。 平面磨床動態分析是分析研究機床抵抗動態作用力的能力，包括抗振性和切削穩定性。抗振性是機床抵抗受迫振動的能力，與機床本身結構剛度、阻尼特性以及主要零部件的固有頻率有關。一般采用單位振動量的激振力表示。同時，在相同激振力作用下，機床產生的振動越 小，那么其抗振性就越好。 平面磨床振動是加工過程中難以避免的，它既使得刀具和工件的相對位置和相對速度發生變化，惡化切削過程；又使得機床和刀具在動載荷下工作，加速了二者的磨損，降低了加工精度，同時還會產生噪聲。分析研究表明，機床的加工質量在相當大程度上取決于本身所產生的振動。尤其是在高速加工條件下，振動的影響則更為明顯。于是，機床振動就成為機床動態性能的首要研究內容。 機床振動的類型分為： (1)自由振動它是指彈性系統離開平衡位置之后，在無外界激振力作用下，僅靠其彈性恢復力來維持的振動。自由振動的頻率就是系統固有頻率。當有阻尼時，振動則逐漸衰減，直至最后消失。n自由度自由振動的運動方程為質量矩陣、阻尼矩陣、剛度矩陣。 (2)受迫振動它是指在外界激振力的持續作用下，彈性系統被迫產生的振動，其頻率與激振力頻率一致。如果激振力的頻率與系統的固有頻率接近，則將產生“共振”現象。自由度受迫振動的運動方程為激振力矢量。 對于無阻尼受迫振動的求解，通常采用模態分析法，即利用振型矩陣，把描述系統運動的坐標，從一般的廣義坐標變換到主坐標(也稱模態坐標)，把相應的運動方程變換成一組2個獨立的方程，求得系統在每個主坐標上的響應，然后得到系統在一般廣義坐標上的響應。 (3)自激振動它是指無外界激振力，維持振動的交變力是機床切削過程本身所產生或控制的。自激振動是一種特殊的振動。維持振動的能量不再是自由振動時的一次輸入，而是如同受迫振動那樣持續地輸入，同時自激振動的能源不再像受迫振動時通過周期性的作用輸入能量，而是對系統產生一個持續的作用，這個非周期的作用是只有通過系統本身的振動才變為周期性的。 平面磨床上產生的振動，大部分都是受迫振動和自激振動。然而，對于磨床而言，不管是自激振動還是受迫振動，都會使砂輪與工件產生相對振動，反映在加工表面則是波紋度誤差。 不同的機械產品對振動的要求、評價方法和評價指標是不同的。對機床而言，其要求主要反映刀具與工件之間的相對振動。從振動原理上來分析，振動評價的主要指標有： 1)固有頻率。在同類結構中相比，固有頻率越高，其抗振性能越好。 2)振幅。振幅越大則表示振動越為強烈。 3)振型。即機械振動的形態。通常用振動頻率、振幅及振動方向三個參數來描述振型。在振型的節線上振型瞌線斜率最大，該處即為結構的薄弱環節，也可能是會產生疲勞破壞的位置。所以，對機床來說應盡量使刀具與工件同相位振動，以利于控制工件表面磨削振紋的形成。 由此可知，若要從根本上克服振動帶來的問題，重點在于針對振動特性采取措施以提高機床自身的抗振性能。具體到機床結構上；一是提高結構自身剛度，二是消除或減弱機床優勢振型，使機床在各種動態力的作用下，刀具與工件的相對振動量控制在加工質量所允許的范圍之內。其中，提高機床結構動剛度的措施有： 1)提高平面磨床構件的靜剛度和固有頻率。 2)改善平面磨床結構的阻尼特性。 3)變更振型的振動方向。 二、平面磨床動態性能 平面磨床動態性能的研究方法有以下幾種：一是動態測試試驗；二是數學方法做理論建模分析；三則是對前兩種方法取長補短，作綜合分析。以上方法的本質都是通過對實際機床或模型作激振，根據信號輸入方式的不同，采用不同的分析測量方法，研究機床的動態性能，以找到影響機床動態性能的薄弱環節，提出改進方案，以期通過結構合理改進，或安裝有效的減振裝置，達到提高機床動態性能的目的。 無論是進行動態性能分析還是進行優化設計，建立準確合理的動力學模型是關鍵。機床是一個多部件組成的復雜系統，要建立起能夠確切模擬機床結構和各項特性的動力學模型并非易事。目前，動力學建模的方法分為兩大類：一是通過動態試驗進行系統識別，二是通過解析法或數值法進行理論建模。 根據平面磨床的設計圖紙或實際結構，經過不同方式和程度的簡化，可建立起不同形式的動力學模型。在機床的動力分析和動態設計中，最常見的有集中參數模型、分布質量梁模型和有限單元模型三種。 (1)集中參數模型對于復雜的機床結構來說，它的慣性(質量和轉動慣量)、彈性和阻尼都是相當復雜的，必須作簡化才能建立起可供實際應用的動力學模型。最方便的簡化辦法是：結構的質量用分散在有限個適當點上的集中質量來置換，結構的彈性用一些沒有質量的當量彈性梁來置換，結構的阻尼假設為遲滯型的結構阻尼，結合部簡化為集中的等效彈性元件和阻尼元件。這樣，整個結構就可簡化為由一系列集中的慣性元件、彈性元件和阻尼元件組成的動力學模型，簡稱為集中參數模型。 (2)分布質量梁模型集中參數模型，特別是子結構較大而又將其質量集中在當量單元梁的兩端時，顯然比較粗糙，不可能很好地逼近結構的動力特性，模擬實際結構的精度較低。增加子結構的數目，以及改進子結構質量的簡化方式，都可以提高模型的模擬精度。將子結構簡化為質量均勻分布的等截面梁，就是一種更加接近實際、計算也比較簡單的做法。 (3)有限元模型有限元模型和分布質量梁模型及集中參數模型相比，是模擬實際結構的精度最高的一種理論模型，其模擬精度隨著單元的減小和逼近模式的復雜化而提高，計算工作量大。集中參數模型最簡單，模擬精度最低，計算工作量最小，難于得到和實際結構動力特性十分近似的模型。分布質量梁模型則介于其他兩者之間，模擬實際結構的精度比集中參數模型高，計算工作量則比有限元模型小。 隨著結構動力學、動態試驗與分析、計算機技術等飛速發展，機械系統的動態性能問題研究已逐漸形成了統一的機械動力學這一交叉學科。其中，針對機床動態性能研究的稱為機床動力學。機床動力學主要研究機床動態性能分析及針對動態性能的動態優化設計。 1．平面磨床動態性能分析 在動力學模型的基礎上，分析機床的動態性能有兩種途徑：一是通過對機床進行動態測試采集相關信號分析機床的性能；二則是針對理論動力學模型進行解析或數值求解。 動態測試分析主要應用激振響應法測定機床結構的動力特性，包括固有頻率、各階主振型、結構上指定點的頻率位移響應等。通過對這些數據進行分析，找出機床結構的相對薄弱環節從而為結構改進提供方向，這種方法雖然不能定量地指出結構改進的程度，但是可信度較高。 利用動力學模型進行的理論動力學分析又根據求解方式的不同分為解析解法和數值解法。解析解法是根據各種力學理論導出表征力學特征的方程，結合一定的邊界條件和初始條件進行解析求解。解析解法結果簡單，物理意義明確，可以得到對設計有指導性或普遍性意義的結論和方法。但能夠用解析解法解決的工程實際問題很少。數值解法是對表征力學特征的方程進行數值求解。、目前最廣泛使用的數值解法是有限元法。有限元法的力學理論基礎是彈塑性力學的變分原理。對于平面磨床這類復雜的組合結構，比起將結構抽象簡化的解析法而言，由于整體有限元法實體建模能夠最大限度地描述結構特征，直觀形象，并且易于實行便于掌握，將會有更廣闊的應用前景。 相對于動態測試分析法，理論分析法可以在沒有結構硬件的條件下進行，有效地節省研制時間和經費。但是理論建模由于邊界問題難于保證模型的正確性。可見動態測試分析和理論計算分析這兩種方法各有所長，也各有不足，把兩者結合起來應用是當前進行機床動態性能分析最經濟有效的途徑。 2．平面磨床動態優化設計 動態優化設計旨在設計階段針對機床結構的動態性能進行優化設計，用經濟有效的手段獲得具有預定動態性能的結構。 結構動態設計可基本分為方案比較優化法和參數自動尋優法兩類。其中參數自動尋優法 相對前者是一種新型的結構設計方法，但對于大型復雜結構的優化仍存在技術上的困難。方案比較法是比較傳統的方法。目前趨勢是以方案比較分析優化為主，參數自動尋優為輔的設計方法。 總結上述分析可見，結構動態性能分析是過程，有限元是手段，而結構動態改進設計是方法，提高機床動態性能是目的，圖給出了機械結構優化設計方法。  圖 機械結構優化設計方法 |
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