MKS1320数控外圆磨床关键零部件动态特性分析与优化设计

发布时间：2020-05-14 12:57

【摘要】：作为一种重要的精加工工艺手段,高速磨削具有加工质量好和加工效率高等优点而备受关注。磨床不断向高速、高自动化和高精度方向发展,对磨床的静态特性、动态性能提出了越来越高的要求。床身和砂轮主轴作为磨床整机最关键的两个部位,其动态特性的好坏对整个磨床的动态性能具有重要影响。本文以MKS1320高速数控外圆磨床的床身和砂轮主轴为研究对象,以提高床身、主轴静动态特性和磨床整机加工性能为目的,采用有限元软件ANSYS仿真分析和实验验证相结合的方法,对外圆磨床床身和主轴进行静动力学分析和结构参数优化设计。本文主要完成如下工作:1)根据MKS1320数控外圆磨床的实际结构尺寸建立床身和主轴的三维实体模型,对其做适当的简化,并确定约束条件和所受外载荷,在ANSYS Workbench中生成精确的有限元模型;2)运用ANSYS Workbench对床身进行静动态特性分析,得到床身的位移变形云图、等效应力云图、床身的低阶固有频率及其对应的模态振型,并进而获得床身的临界转速,并由谐响应分析得到床身系统的位移频率曲线;3)构建LMS振动测试系统对床身进行实验模态分析,测点的响应情况由LMS多通道数据采集系统获得,使用模态分析软件LMS Test.Lab14A进行模态参数识别,并将实验模态结果和有限元分析结果进行对比,验证床身限元建模和分析的合理性。4)以床身的动态特性研究结果为依据,运用Workbench中的优化模块Design Explorer对床身进行结构参数优化设计,在实现轻量化的基础上,使床身的静动态性能都得到一定程度提高;5)研究轴承刚度的等效方式,通过对砂轮主轴进行静力学分析得到主轴在外载荷作用下的变形程度,计算得到其刚度值,并探究轴承刚度以及轴承跨距变化对主轴刚度的影响,通过动力学分析得到主轴前六阶固有频率和振型,并计算得到各阶临界转速,对其进行谐响应分析,探究主轴的共振区间,并验证主轴设计的合理性;6)基于主轴参数化模型,以主轴的前端悬伸量、前锥面尺寸、轴承跨距和主轴中段外径作为四个设计变量,对主轴进行尺寸参数优化,主轴的静刚度和低阶固有频率经过优化后都有明显的提高,使主轴静动态性能得到改善;
【图文】：

尾架,头架,前床,外圆磨床

图２．１邋ＭＫＳ１３２０数控外圆磨床三维模型逡逑前床身导轨上安装有液压工作台，头架和尾架安装在工作台两端，根据加和零件形状的不同，头架和尾架中间可以装莫氏锥度顶尖、卡盘或者气动，为了适应砂轮和加工工件，可对工作台的位置进行调整。由于不同零件一，，

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数控外圆磨床在工作时床身承受的载荷主要有磨削力、工作台总成重力、砂逡逑轮架总成重力等。其中磨削力Ｐ可以分为Ｘ、Ｙ、Ｚ三个互相垂直的分力，其中径逡逑向分力＆最大，，轴向分力最小，其比值约为八：：邋ｐｚ＝0．２：（１．５？２．５）：１，如图３．１逡逑所示［３４］。其中，径向磨削分力主要是通过头架和尾架传递给工作台，使其弯扭变逡逑形发生在水平面上，切向磨削分力以及头架尾架的重量垂直作用在床身上，使其逡逑在垂直面上产生弯扭变形。逡逑ｉＺ逡逑——逦，逦邋ｖ逡逑逦ｆ二逡逑－丨．：Ｔｈ－．．．．．．．．．．．．逡逑ＧｊＩ逦ｉ逡逑Ｕ．．邋！逡逑逦．＿＿！——：逦逦逦逡逑图３．１邋ＭＫＳ１３２０数控外圆磨床载荷示意图逡逑３．２．１磨削力分析逡逑磨削时作用于工件和砂轮之间的作用力就是磨削力，在外圆磨削时分为三个逡逑分力，分别是轴向分力、法向分力和切向分力。如图３．２所示。逡逑Ｆｃ－切向磨削力（砂轮旋转的切线方向）逡逑Ｆｐ－法向磨削力（砂轮与工件接触面的法线方向）逡逑怜－轴向磨削力（纵向进给方向）逡逑图３．２外圆磨削力示意逡逑切向磨削力称为主磨削力，是确定磨床电动机功率的主要参数依据，法向磨逡逑１４逡逑
【学位授予单位】：湖南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG596

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