船用多功能数控机床动态性能研究

发布时间：2016-04-28 10:45

第1章 绪论 

1.1 课题背景及其研究意义 
舰船在行驶过程中难免存在零部件的损伤与脱落，随着舰船装备的快速化发展进程，装备保障成为一个重要问题。装备保障包括备件换用和损伤修复两种方式；但是仅从换件角度考虑，需要大量的备件，这与舰船有限的载重要求形成对立。因此，除了储藏装备常用损伤备件外，储备系列化零件毛坯和再制造修复零件加工成为舰船装备保障的关键内容[1]。因此，设计制造船用多功能数控机床成为目前国内舰船装备保障加工的重要内容。 目前，，船用机床加工主要体现在两个方面： （1）民用船用机床方面  以 20 世纪 80 年代中期日本研发的多功能船用机床方案为代表[2]，如图 1.1 所示，该机床的优点：具备普通车床、铣床、刨床和钻床的电动操作功能，结构紧凑，价格低廉，比较适合空间局限的船舶环境使用。缺点：机床防护功能差，新品维修的周期为 6 个月左右；不具备数控加工功能，只能解决常用工件的基本加工，加工精度低；不具备环境适用性要求，没有抗干扰能力和良好的防盐雾腐蚀功能；机床底座采用角钢与管钢焊接，抗振性能较差。  以美国海军舰队装备保障机床为代表，20 世纪 90年代美军就开始了 MPH（Mobile Parts Hospital）计划，如图 1.2 所示，保障性加工机床以日本的 MAZAK 加工中心为主[3]。该机床具备的优点：机床加工性能优越，具备 CAD/CAM 模块化兼容技术，能够较好地实现多品种损伤零件的加工要求。缺点：MAZAK 机床价格较高（400 万人民币左右）、要求操作技术高；同时，机床控制系统的安全性受制于供应商，并且机床不具备保障性操作功能和耐盐雾腐蚀的特有设计。 
.........

1.2 船用机床的耐波性 
船用机床与通用机床最大的区别是舰船的海洋波浪振动环境。研究表明[4-6]为了实现机床的抗振稳定性，对于加工精度 0.01mm 的中小型通用机床混凝土减振地基厚度 0.35m 左右；然而，船用机床只能通过螺栓与舰船甲板紧固连接，其运行环境直接关联于所在舰船的波浪振动特点。面对船用机床的工作空间、承载重量以及舰船波浪载荷的摇荡影响，船用多功能数控机床要求具备良好的耐波性和稳定性特点；并且船用机床结构的耐波性是其动态稳定性的主要指标。因为船用机床固定于舰船上，所以其耐波性研究与舰船耐波性研究具有一致性。舰船的耐波性是指舰船在风浪中能够保持足够的稳定性和结构强度，并具备安全航行的性能[7,8]。舰艇的耐波性是指舰艇在一定海况下具有适当的舰体运动环境，以保证人员及各种武器、系统和其他装备能正常工作的能力[9]。因此，船用机床的耐波性定义为：在波浪载荷引起的舰船振动环境下，机床具备极端振动环境的结构强度和可靠性，并具备在舰船适居性运行环境下的保障性加工能力。 根据波浪载荷对舰船运动的影响形式不同，可以分为波浪摇荡载荷和砰击载荷[7,10,11]。船用机床固定在舰船上，具备与舰船相似的波浪载荷运动特点，所以船用机床的摇荡和砰击分析成为机床结构耐波性动态性能的主要内容。 
.........

第2章 船用多功能数控机床总体技术

2.1 机床整体结构方案设计 
船用多功能数控机床的设计过程以功能适用性、经济性、可靠性和全生命周期为目标。为了实现上述目标，课题组基于可重配置的设计思想，以通用可靠的经济性数控机床 CK6136 和 XK7132 为结构基础进行设计，机床具备结构可靠性和生产低成本的特点。可重配置机床可以根据用户需求，选择相适应的结构功能模块进行设计，所以可重配置机床的设计与一般的模块化设计有较大不同。模块化产品均可按照模块化设计的基本原理进行设计，即将一种产品或系统分解成一些功能和结构独立的基本单元，然后按照用户的需求组合，以满足不同用户的需求。机床的可重配置设计与模块化设计不同，功能实现方式多样，具有多种可重配置形式[84,85]。按可重配置的规模划分，可分为全局可重配置和局部可重配置；按可重配置的方式划分，可分为同一模块多位姿可重配置和同一位置多模块可重配置。两类划分方式没有明确的界限，同一模块多位姿可重配置与同一位置多模块可重配置两种形式也可以同时存在于一台机床。根据舰船装备的保障性加工需求，船用多功能数控机床的需要具备车、铣、车铣、铣车、钻、铰等多种加工功能，其设计方案的可重配置结构如图 2.1 所示，主要特点见表 2.1。 图2.1表明船用多功能数控机床以局部可重配置和同一模块多位姿可重配置方案为主，便捷地实现了机床的铣削、卧车和立车功能。同时，采用的基于同一整体床身的铣床部件和车床部件使得多功能机床更加紧凑和复合化功能。并且车削主轴具备液压锁紧系统，能够实现机床的 C 轴功能；并且能够实现回转类零件的可靠装夹功能，解决了回转类零件的夹具设计与安装等问题。 
........

2.2 机床关键运动副校验 
图 2.3 所示船用多功能数控机床具备铣削、车削、铣车和车铣功能。机床工作过程中具有铣削立柱的 Z2向移动，车削托板的 Z1向移动，铣削刀具和车削刀具的进给运动。在这些运动中，Z1和 Z2的导轨滑块分别承受立柱重力和托板重力的负载；在受到舰船摇荡力作用时，其动态稳定性受到的影响较大。 根据图 2.3 机床的结构特点可知：当机床横摇运动时，由于铣削立柱的重量以及 Z2滑块导轨运动副负载较大，因此 Z2滑块导轨运动副成为影响机床动态性能的主要部件。因为船用机床固定于舰船上，所以其横摇运动参数与所在舰船的横摇参数一致，表 2.2 为船用多功能数控机床所在舰船的主要参数。  
.......

第 3 章 船用多功能数控机床的模态分析 ........ 33 
3.1 模态分析原理 .... 33 
3.1.1 试验模态分析 ....... 33 
3.1.2 计算模态分析 ....... 34 
3.2 船用多功能数控机床的试验模态分析 ..... 35
3.3 机床结构的计算模态分析 ........ 41 
3.3.1 关键滑块导轨运动副受力分析与振动模型构建 ........ 41 
3.3.2 包含运动副接触特性的机床 FEM 模态分析 .... 45 
3.4 机床模态分析比较 ....... 47 
3.5 本章小结 ........ 48 
第 4 章 机床结构的波浪砰击特性研究 ..... 49 
4.1 波浪砰击载荷特点 ....... 49 
4.2 机床波浪砰击载荷的瞬态响应分析 ....... 53
4.3 机床砰击载荷的随机振动分析 .... 64
第 5 章 舰船摇荡环境对机床结构动态性能的影响 ....... 81 
5.1 波浪摇荡载荷特点 ....... 81
5.2 宏微耦合振动模型构建 .......... 84 
5.3 机床摇荡波浪载荷的谐响应分析 ......... 88 
5.4 本章小结 ........ 94 

第7章 考虑波浪载荷特点的机床切削动态性能研究 

机床切削过程动态性能主要受到机床工作环境、机床主轴系统、刀具以及工件特点的影响。船用多功能数控机床与传统机床加工环境不同，船用机床在舰船环境下加工时受到波浪载荷的振动影响。为实现船用机床的快速保障性加工要求，必须满足在舰船可适应区波浪载荷环境下机床正常运行的要求。同时，船用机床的加工是针对舰船多品种中小型零件的快速保障性加工，所以多功能数控机床加工动态性能研究以机床切削系统固有动态特性为基础，重点研究机床切削系统固有特性、常用加工材料和典型再制造保障性涂层材料的切削动态特性。 机床切削加工动态性能研究的重要内容是确定机床切削稳定性阈值，从而衡量机床的振动性能，并为合理的机床切削工艺参数制定提供借鉴。为了获得机床的切削稳定性阈值，需要研究机床切削颤振的特点。机床的切削颤振属于机床切削系统的自激振动，其振动形式剧烈，严重影响到机床主轴系统稳定性、刀具寿命。目前机床颤振研究表明[114-120]影响颤振的主要因素包括：工件切削工步交互影响造成的再生颤振，工件与刀具摩擦造成的摩擦颤振和切削系统不同部件固有振动交互影响造成的振型耦合型颤振。其中，由于再生颤振属于切削加工中经常出现的现象，并且该现象与切削工艺参数密切相关，所以再生颤振备受关注。但是，机床切削过程也伴随强迫载荷条件的影响，当强迫载荷达到或者接近机床切削系统的固有振动参数时，就会出现机床切削过程的混合型振动。研究表明机床切削的混合型振动主要以强迫再生振动、强迫再生共振和强迫再生颤振三种形式存在，其中，强迫再生颤振十分剧烈，往往造成严重后果，机床加工必须避免该现象。 基于上述分析，本章的主要研究内容为可适应区波浪载荷对机床的影响、机床切削系统的动态特性研究和机床保障性再制造涂层切削加工研究。 

.......

总结 

为实现舰船装备的中小型零部件快速保障性加工要求，课题组成功研制了适用于舰船环境的国内首台船用多功能数控机床。该机床采用可重配置技术，集成了卧式车削、立式车削、铣削、钻削以及复合加工的功能。船用机床与通用机床最大的区别在于舰船的波浪载荷振动环境，所以机床的可靠性和快速保障性加工性能成为船用多功能数控机床的关键内容。为此，本文研究内容包括机床总体技术、机床在舰船波浪环境下适用性、耐波性以及切削动态特性研究。 论文的主要研究内容和结论如下： 机床的固有模态是机床结构动态性能的关键内容，机床的模态参数是机床动态响应和切削动态分析的基础。为获得合理的机床结构固有动态特性，采用试验模态与 FEM 计算模态振型匹配计算的方法得到了机床前 6 阶固有模态参数。机床的模态参数为机床的耐波性分析奠定了基础，并且对机床切削动态性能的研究提供了指导。同时，分析结果表明本文提出的考虑关键运动副结构结合面的 FEM数值模型能够较好地体现机床的固有动态特性。 
.........
参考文献(略)

本文编号：37757