基于ANSYS Workbench的床身材质对机床动力学特性影响的分析.pdf

第 2期 2 0 1 5年 2月 组 合 机 床 与 自 动 化 加 工 技 术 M o d ul ar M a c hi n e To o l Au t o m a t i c M a nu f a c t ur i ng Te c h n i qu e NO． 2 Fe b．2 01 5 文章 编号 1 0 0 1 2 2 6 5 2 0 1 5 0 2 0 0 6 1 0 4 D 0 I 1 0 ． 1 3 4 6 2 ／ j ． c n k i ． mm t a m t ． 2 0 1 5 ． 0 2 ． 0 1 7 基于 A N S Y S Wo r k b e n c h的床身材质 对机床动力学特性影响的分析 木 曹 力， 钟建琳 北京信息科技大学 机 电学院， 北京 1 0 0 1 9 2 摘要 高精度磨床是一种新型精密磨削数控机床 ， 其床 身材质合理的选取及布局 对其动力学特性有 着较大的影响， 进而影响其加工质量和加工精度。应用 A N S Y S Wo r k b e n c h 软件对高精度磨床的床身 分别以灰口铸铁、 树脂混凝土及铸石为材质对磨床进行模态分析。结果表明树脂混凝土床身的高精 度磨床动力学特性高于灰口铸铁床身的高精度磨床动力学特性， 铸石床身的高精度磨床动力学特性 高于树脂混凝土床 身的高精度磨床动力学特性。 关键词 床 身材质 ； 动 态特性 ； 模 态分析 中图分类号 T H 1 6 6 ； T G 5 4 7 文献标识码 A Ana l y s i s o f t h e Effe c t o f Be d M a t e r i a l s o n M ac hine To o l ’ s Dy na m i c Ch a r a c t e r i s t i c s Ba s e d o n ANS YS W o r k be nc h C AO L i ．Z HO NG J i a n l i n S c h o o l o f Me c h a n i c a l ＆ E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ， B e i j i n g I n f o r m a t i o n S c i e n c e＆ T e c h n o l o g y U n i v e r s i t y ， B e i j i n g 1 0 0 1 9 2 ， C h i n a Ab s t r a c t Hi g h p r e c i s i o n g rin d i n g ma c h i n e i s a n e w s t y l e p r e c i s i o n g r i n d i n g NC ma c h i n e t o o l s ，t h e r e a s o n a b l e s e l e c ti o n o f b e d ma t e ria l o f h i g h p r e c i s i o n g rin d i ng ma c hi n e h a s a g r e a t i n flu e n c e o n i t s dy na mi c c ha r a c t e r i s t i c s，wh i c h a f f e c t s the m a c h i n i n g q u a l i t y a n d ma c h i ni n g p r e c i s i o n．ANS YS W o r k b e n c h s o f t wa r e i s u s e d f o r the mo d e a n a l y s i s o f d i f f e r e n t b e d ma t e r i als o f hig h p r e c i s i o n g rin d i n g ma c h i n e s u c h a s g r e y c a s t i r o n， r e s i n c o n c r e t e a n d c a s t s t o n e．Th e r e s u l t s s h o we d tha t d y n a mi c c hara c t e ris t i c s o f the h i g h p r e c i s i o n g rin d i n g ma c hi n e wi th r e s i n c o n c r e t e be d are h i g he r tha n tha t wi th c a s t i r o n b e d；a n d d y n a mi c c h a r a c t e ris ti c s o f the hig h p r e c i s i o n g rin d i n g ma c hin e wi th c a s t s t o n e b e d a r e h i g h e r tha n tha t wi th r e s i n c o n c r e t e b e d ． Ke y wo r d sb e d ma t e ria l； d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c；mo d a l a n a l y s i s 0引言 1 模态分 析法 现代数控加工业正向高质量、 高精度的方向迅猛 发展 ， 因此对数控机床的动力学特性提出了更高要求。 高精度磨床是近年来国内推出的精密磨削设备 。床身 是机床中一个关键的部件 ， 其结构与材质将会直接关 系到整个机床的动力学态特性 ， 从而影响机床的加工 质量与加工精度。在对机床床身合理布局的前提下， 选择合适的材料制造床身将有助于提高机床动态特性 来提升其工作性能。数控机床动力学特性分析的方法 主要是用模态分析， 高精度磨床在不 同材质制造 的床 身下通过模态分析得 出相关数据 ， 根据此数据选择适 合的材质制造床身， 提升高精度磨床的动力学特性 ， 满 足机床对加工质量和加工精度的要求 J 。 N 自由度 有阻尼振 动系统可表示 为 [ j l ] { [ C 1 { [ K ] { { F 1 其 中 [ ]、 【 C I、[ K ] 分 别 为 刚度 矩 阵 、 阻尼 矩 阵和质量矩 阵，{ F 为外 激励 矩阵， 这里为零矩阵 ； { 、{ }、 { 分别为加速度矩 阵、 速度矩 阵和位移 矩 阵。 当忽略 了阻尼 ， 式 1 的特征 方程可写 为 l [ ] 一 ∞ 【 M】 I 0 2 解 此 方程 得∞的m个 互异 正 根 ∞ 。 i1 ， 2 ， ⋯m， 第 i 阶固有频率为 收稿 日期 2 0 1 4 0 51 6 修 回日期 2 0 1 40 6 2 4 基金项目 国家科技重大专项资助项 目 2 0 1 3 Z X 0 4 0 01 0 6 1 作者简介 曹力 1 9 8 9 一 ， 男 ， 沈阳人 ， 北京信息科技大学硕士研究生 ， 研究方向为数控技术与装备 ， E ma i l 4 9 7 4 0 2 7 0 1 q q ． t o m。 3 6 4 组合机床与自动化加工技术 第 2期 床身材 质为铸石 ， 其 材料特 性 弹性 模量取 为 3 0 0 G P a ， 密度为 2 2 0 0 k g ／ m ， 泊松 比为 0 ． 2 。经 A N S Y S Wo r k b e n c h计算床身为铸石的高精度磨床得到前 4阶 固有频率， 如表 5所示。 表 5 高精度磨床的固有频率 床身材质为铸石 6 床身材质对 高精度磨床 动力学特性对 比 分析 对比上述床身材料分别为灰 口铸铁 、 树脂混凝土 及铸石 的固有频率的结果， 如表 6所示 。可知当床身 材质为铸石时大大提高了高精度磨床的动力学特性。 其主要原因是对床身结构的薄弱环节进行了加强， 同 时铸石床身的支撑方式不 同于铸铁床身， 其支撑点和 面积均大于铸铁床身， 使结构受力均匀平稳。 表 6 高精度磨床在不同床身材质下的 固有频 率 7 结束语 通过运用 A N S Y S Wo r k b e n c h软件对影 响高精度 磨床动力学特性的床身材质进行了分析， 得到了用铸 石制造机床床身能大幅度提升高精度磨床的动态特性 的结论 ， 进而满足现代制造业对机床加工的需求。 [ 参考文献] [ 1 ]杨楠 ， 唐恒龄． 机床动力学U [ M] ． 北京 机械1 _ 业 版社 ， 1 9 8 3 ． [ 2 ]孙金虎， 杨庆东 ， 米洁． 基于模态试验的高精度磨床动态 特性研究[ J ] ． 机械设计与制造， 2 0 1 3 6 1 2 81 3 0 ． [ 3 ]蔡川 ， 杨庆东， 刘国庆 ， 等． 高精立式磨床立柱的动态特性 分析与实验[ J ] ． 机械工程师， 2 0 1 2 1 1 9 2 1 ． [ 4 ]廖伯瑜 ， 周新民． 现代机械动力学及其工程应用 [ M] ． 北 京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 5 j郑孝． 高精度磨床动态特性分析与结构优化研究[ D] ． 北 京 北京信息科技大学 ， 2 0 1 3 ． [ 6 ]张学玲， 徐燕 申， 钟伟泓． 基于有限元分析的数控机床床 身结构动态优化 设计方法研究[ J ] ． 机械强度， 2 0 0 5， 2 7 3 3 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b i l i t y[ C ] ．R e l i a b i l i t y a n d M a i n t a i n a b i l i t y S y mp o s i u m ，20 06，481 48 5． [ 6 ]许彬彬， 杨兆军， 陈菲， 等． 加工中心 自动换刀系统可靠性 试验台的研制[ J ] ． 工程与试验， 2 0 1 0 ， 5 0 4 5 0 5 3 ． [ 7 ]李兆军， 刘洋， 龙慧， 等．多失效模式水轮发电机组非线性振 动 可靠性模型[ J ] ． 机械工程学报 ， 2 0 1 3 ， 4 9 1 6 1 7 0 1 7 6 ． [ 8 ]王延荣，田爱梅．结构振动可靠性设计方法研究[ J ] ．航 空动力学报 ， 2 0 0 3 ， 1 8 2 1 9 11 9 4 ． [ 9 ]E n r i q u e d e l a F u e n t e ， Mi g u e l A ．S a n z， J o s 6 L ．H e r n a n d o ． Ex a c t r e l i a b i l i t y c a l c u l a t i o n wi t h q ua d r a t i c f a i l ur e i n d i c e s i n r a n d o m v i b r a t i o n『 J] ． E n g i n e e r i n g S t r u c t u r e s ，2 0 0 9，3 2 3 7 9 3 7 9 9 ． [ 1 0 ]于文东，谭智， 刘阔， 等．数控车床整机振动可靠性评 估研究[ J ] ．机械工程师， 2 0 1 1 1 2 4 3 4 4 ． [ 1 1 ]R o y l a n c e B J ． Ma c h i n e f a i l u r e a n d i t s a v o i d a n c e w h a t i s t r i b o l o g y’ s c o n t r i bu t i o n t o e f f e c t i v e ma i n t e n a n c e o f c r i t i c a l ma e h i n m2 f J 1 ． P r o c e e d i n g s o f t h e I n s t i t u t i o n o f Me c h a n i c a l En g i n e e r s， 2 003， 21 7 3 4 9 3 6 4． [ 1 2]Wa n g J i a n j u n ，L i R u n f a n g ，P e n g X i a n g h e ．A s u r v e y t o n o n l i n e a r v i b r a t i o n o f g e a r t r a n s mi s s i o n s y s t e m [ J ] ．A p p l e Me c h Re v ，2 0 0 3，5 6 3 3 0 93 2 9 ． [ 1 3 ]H a y m B， S e o n M H．P r o b a b i l i t y m o d e l s i n e n g i n e e r i n g a n d s c i e n c e [ M] ．B o c a R a t o n C R C P r e s s ， 2 0 0 5 ． 编辑赵蓉