高速磨床动态特性及结构优化设计研究

发布时间：2020-09-03 11:56

　　机械加工装备正朝高速、高效、高可靠性和高精密方向发展,为满足越来越高的加工工艺性能要求,其机械结构系统具有优异的动态特性显得尤为重要。本文以CNC 8312A高速凸轮轴磨床为研究对象,结合国家863高技术研究发展计划项目“超高速磨床设计和制造中的反问题与优化技术研究”,对磨床主要部件及整机机械结构动态特性进行了研究分析,并对高速磨床的床身、主轴、砂轮架底座和主轴箱等主要部件的机械结构作了合理优化与设计。论文主要内容如下:(1)对自由状态和约束状态下的原床身和主轴的动态特性进行分析,找出其薄弱结构并完成了优化设计。论文探索了床身支撑位置及支撑数量的变化对床身动态特性的影响,提出了相对较好的支撑设计方案。基于子结构法,论文探讨了不同形式、不同尺寸及不同壁厚的子结构单元对床身动态特性的影响。基于材料的磨床床身动态特性分析表明,在床身机械结构相同时其动态特性与床身材料有关。论文对高速磨床床身作了综合优化设计,使床身动态性能明显改善。引入灵敏度分析法,以最佳动态特性为目标针对主轴的四个关键参数进行分析,得到了主轴动态特性的最敏感参数为外伸段长度和空心直径。基于45、65Mn、60Si2Mn和40Cr等主轴常用材料,对相同结构下的磨床主轴进行仿真分析表明常用主轴材料对主轴的低阶模态频率影响不大但振型位移方面40Cr主轴相对较小。综合各方面因素提出了磨床主轴的最优化设计方案。(2)开展高速磨床主轴箱、砂轮架底座、进给工作台的上台面和下台面等零部件的动态特性分析与结构优化设计。针对床身-工作台装配体,利用MSC.Patran/Nastran有限元分析软件对影响组合体动态特性的因素进行了探讨。针对砂轮架底座以轻量化为目标,基于参数DOE分析,采用L16(4~3)正交实验方案,作了三因素的直观分析和回归分析,得到了设计因素与目标之间的线性回归方程,提出了砂轮架底座轻量化设计最优方案。(3)基于传递矩阵法对高速磨床主轴-砂轮转子系统作了临界转速分析、稳定性分析和不平衡响应分析,获取了转子系统的低阶临界转速和共振峰值,分析表明转子系统不存在临界负荷问题且转子不平衡响应比较理想。(4)利用基于假想材料的高速磨床导轨结合部模拟技术和吉村允孝积分法,得到了高速磨床导轨结合部和螺栓连接结合部的等效刚度和阻尼系数,在此基础上对原磨床整机进行了动态特性分析。提出了基于模态频率错位法的高速磨床整机优化设计方法并验证了该方法的有效性。基于连接螺栓数量与直径对螺栓固定结合面进行了优化设计,研究表明适当增加连接螺栓直径或增加连接螺栓的数量均可以大幅度提高螺栓固定结合面的刚度和阻尼,有益于提高高速磨床整机动态性能。提出了基于最小切点位移的高速磨床整机结构优化方法。(5)采用单点激励、多点拾振的单输入多输出方法(SIMO法),利用LMS SC-305-UTP动态信号采集分析系统开展了对磨床主轴和床身-工作台组合体的动态特性分析与测试,实验表明本文所建立的有限元模型能比较真实地反映出高速磨床实物的动态特性,理论模型具有较好的可靠性。
【学位单位】：湖南大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG580.2
【部分图文】：

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义子计算机技术的发展，已使动力学分析加工装备研究、设计、生产、实验、鉴速磨床相比其他类型的机床设备，是一制造厂家的设计和制造手段相对落后，传统研究方法一般都是建立在许多假设造、实验、改进、再制造和再改进，最人力、物力、经费和时间的实车试验来目则只能依靠没有充分科学分析的经验研究，实现磨床结构的优化设计，本文学分析与仿真技术，在概念设计阶段即免重大设计失误，在磨床样机生产和试产和预测实验结果。总之，使高速磨床来(图 1.1)，尽可能减少没必要的经费投

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按砂轮线速度 v 的大小可以将磨削加工分为普通磨削(v<45m/s)、高速磨削(45≤v<150m/s)和超高速磨削(v≥150m/s)[11]。相比其他方法，磨削特别是高速和超高速磨削具有效率高、加工精度高、磨削力小、磨削温度低、砂轮寿命长、加工表面完整性好、自锐性优良等优点，容易实现对难成形材料的精加工。随着技术的进步、高强度新材料的应用以及对机械零部件的精度和寿命要求的日益增加，对磨削加工提出了新要求，尤其是高效高精密磨削装备的研制问题。在磨削加工领域特别是高速磨削和超高速磨削加工方面，以德国为代表的欧洲引领磨削技术潮流，日本和美国亦有非常不错的表现[13][14]。引领先进现代磨削加工技术正朝着研发精密及超精密磨削、使用超硬磨料磨具、高速、高效磨削工艺及磨床自动化方向发展[15]。国外对高速磨削技术的研究起步较中国早，上世纪 30 年代初，德国切削物理学家 Carl.J.Salomon 在一系列切削实验后，提出这么一个假设“切削过程中切削温度先随着切削线速度的增加而增加，但在达到某一个峰值后下降，且切削不同材料温度峰值不一样”，并发表了著名的 Salomon 曲线(速度温度曲线)(图 1.3)[16]，明示了提高切削速度可以提高材料去除率的假说。

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特别是起支撑作用的床身和工作台部分及因此研究高速磨床组合机械结构的参数化建模对周期具有很重要的意义。本文采用动态子结构法分别对各子结构进行参数化建模，并通过实验模然后在已建立起的正确的子结构有限元模型的基接起来组成高速磨床整体有限元模型，各结合部进行修正。我们将高速磨床的床身、工作台、主结构，对各个子结构建模时又将其拆分为若干个速磨床机械系统结构层次图如图 3.2 所示。床身是磨床最笨重的机械结构，通常设计目标是撑稳定性，床身一般是铸造箱体结构，其形状结模时，通常忽略掉对整体模态影响不大的细小结和结构尺寸将床身拆分为导轨、加强隔板和床身本个独立的小结构，对每个独立结构以其结构尺寸件进行参数化实体建模，组合起来即是床身的参数

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