数控高精成型铣齿机床整机动态特性分析.pdf

2 0 1 1年 6月 第 3 9卷 第 l 1 期 机床与液压 MACHI NE T O0L HYDRAULI CS J u n ． 2 0 1 1 V0 1 ． 3 9 No ．1 1 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 1 1 ． 0 3 1 数控高精成型铣齿机床整机动态特性分析 房瑞祥，黄筱调 ，洪荣晶 南京工业大学机械与动力工程学院，江苏南京 2 1 0 0 0 9 摘要基于结合部基础特性参数，研究铣齿机床导轨和螺栓两种结合部的有限元建模方法，并将其用于机床整机的动 态特性分析；采用振动噪声测试仪器对铣齿机进行动态测试，验证了有限元模型的正确性。 关键词结合部；有限元 ；A B A Q U S软件；动态特性 中图分类号T G S 0 2 ． 1 4 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 1 1 1 1 1 3 D y n a mi c P e r f o r ma n c e An a l y s i s o f Hj g h - p r e c i s i o n F o rm i n g C NC Mi l l i n g Ma c h i n e T o o l F A N G R u i x i a n g ，H U A N G X i a o d i a o ，HO N G R o n g j i n g C o l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d P o w e r E n g i n e e r i n g ，N a n j i n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，N anj i n g J i a n g s u 2 1 0 0 0 9 ，C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n b a s i c c h a r a c t e r i s t i c p a r a me t e r s o f t h e c o mb i n a t i o n，fi n i t e e l e me n t mo d e l i n g me t h o d o f t w o k i n d s o f c o mb i n a - t i o n s a b o u t r a i l s a n d b o l t s we r e s t u d i e d ．T h e y we r e u s e d f o r t h e d y n a mi c c h a r a c t e ri s t i c s ana l y s i s o f the ma c h i n e t o o 1 ．T h e d y n a mi c t e s t for t h e mi l l i n g ma c h i n e W as d o n e b y v i b r a t i o n a n d n o i s e t e s t i n g e q u i p me n t a n d t h e c o r r e c t n e s s o f t h e fi n i t e e l e me n t mo d e l wa s v e r i fi e d ． Ke y w o r d s C o m b i n a t i o n ；F i n i t e e l e me n t m e t h o d ；A B A Q U S s o f t w a r e ；D y n a m i c c h ar a c t e r i s t i c s 极坐标数控高速高精成型铣齿机床是十分重要的 一 种齿轮加工机床，也是齿轮加工生产中的一种高效 率的加工设备。该铣齿机床的加工对象是一些使用在 大型机械 如矿 山机械 ，建筑机械 ，港 口机械上 的大模数齿轮 ，其较高的加工速度和较大的切削用 量，要求机床必须具有合理的结构配置和优良的动态 性能 ”。 机床整机动力学模型的建立非常困难，关键是机 床包含大量的结合面，机床结构的动力学特性很大程 度上取决于结合面的特性。机床整机性能分析中，结 合面特性参数的确定是一个难点，其主要原因是结合 面具有强烈的非线性特性。导轨结合部和螺栓结合部 是机床最常见的两种结合部形式，作者研究导轨和螺 栓结合部有限元的建立方法，并通过 L MS噪声振动 测试仪器对铣齿机床进行振动测试 ，通过实验方法 ， 为整机有限元建模的正确性提供了佐证 “ 。 1 整机有限元模型的建立 1 ． 1 滑动导轨结合面模型 机床的整机分析模型中，一般结构及导轨的实体 部分可以用三维实体单元模拟，接触面间的接触特性 则需要建立合适的接触单元模拟。在动态分析时，振 型可能从结合面处分开或切向移动，即出现非线性情 况。为防止两个实体在动态分析时出现相互侵人的错 误结果 ，故定义导轨结合面为接触状态；同时，考虑 到结合部振动时会出现分开的状态 ，采用弹簧阻尼模 型来模拟。 接触表面法线方向上单位面积等效弹簧刚度、黏 性阻尼系数与接触压力的关系见图 1 。 宇 2 商 匿 较 淞 接触压力／ 1 0 ‘ P a a 接触压力与等效刚度 的关系 1 f 昌 1 Z 哩 盛 1 l 2 3 4 S 接触压力／ t O ‘ P a b 接触压力与阻尼的关系 图 1 接触压力与等效刚度、阻尼的关系 由图1得，垂直拖板和立柱的刚度和阻尼如下 法 向刚度 K 3 ． 4 1 0 N ／ m 法 向阻尼 C 0 ． 3 6 N s ／ m 切向刚度 5 ． 6 1 0 N ／ m 切 向阻尼 C 1 ． 4 1 0 N s ／ m 1 ． 2 螺栓结合部理论建模 l o J 1 9 7 9年，吉村允孝对机床结合部进行 了研究。 结果表明只要平均接触压力相同，单位面积结合面 收稿 日期2 0 1 0 0 52 7 基金项目江 苏省 工业装 备数 字制 造及 控制 技术 重点 实 验室 高技 术项 目 B M 2 0 0 7 2 0 1 ；江苏 省 自然科 学基 金 B I L 2 0 0 8 3 7 4 ；江苏省科技支撑计划 工业项目 B E 2 0 0 9 1 6 7 作者简介房瑞祥 1 9 8 5 一 ，男 ，硕士 ，研究方向为数控技术。电话 1 3 9 1 4 4 8 3 7 6 4 ，E ma i l f a n g r u i x i a n g 2 0 0 8 1 6 3． c o rno 1 1 2 机床与液压 第 3 9卷 的动态数据是相同的。其总结得到了单位面积动态性 能的数据图表，见图 2 。 0 ．0 5 0 ． 1 0 ． 5 l 3 51 0 3 0 5 0 平均 接 触 压力 f 1 0 。 P a a 剐度与平均接触压力的关系 0 ．0 5 1 0 ． 5 1 3 51 0 3 0 5 0 平 均接 触 压 力， 1 0 。 P a b 阻尼 与 刚度之 比与平 均接触压力的关系 图2 结合部刚度、阻尼和刚度之比与平均压力的关系 螺栓联接结合面参数，包含 、Y 、g 3个方向的 刚度和阻尼。其 中刚度有螺栓本身的刚度 、K 、 以及大件之间的法 向接触刚度 K 切 向接触刚度 K ． 。阻尼主要为由于螺栓的预紧力引起的大件间的接 触阻尼 C 、C 、C 。在螺栓结合部动力学模 型研究 过程中，学者总结出一些在一定条件下结合部的计算 公式和经验系数。可以利用这些计算公式和数据，在 满足特定的条件下 ，直接计算出结合部的等效动力学 参数 。 结合面材料是铸铁 ，加工方法为精刨，表面粗糙 度为 R a 3 ． 2 I,．t m，结合面的加工方法和材料等决定 的参数 O l 0 ． 6 ，m0 ． 5 ；结合部受到的接触压力为 螺栓的预紧力和液压夹紧力 ，对于一般联接用的钢制 螺栓联接 的预 紧力 Q 不得 超过其 材料屈服极 限 。 的 8 0％ 。 平均表 面压力 P 0 ． 3 8 1 0 P a 螺栓结合 处的法 向刚度 d P 1一 o ． 3 81 0 6 ot m -- P 1 0 K z n 丽 L u ， 2 0 5 5 N／um 等效黏性 阻尼系数 c 和等效弹簧刚度 之 比 C ／ 81 0 ～，所以等效黏性阻尼系数的值为 C一 K 81 0一 2 0 5 5 X 1 0 8 X 1 0一 1 ． 6 X 1 0 N s ／m 螺栓联接处的切 向刚度和阻尼分别为 切 向刚度 K K 1 x 1 0 N ／ m 切 向阻尼 C C 1 X 1 0 N s ／ m 2 整机有 限元分析结果及说 明 由于铣齿机 的整机模型 比较复 杂 ，实体模 型采用 四面体单元划分网格，立柱和床身刚度值较大 ，且工 作时采用液压锁紧，对其行黏处理，拖板和立柱导轨 结合部采用弹簧阻尼模型模拟，螺栓结合点采用黏处 理 ，建立 的有 限元模型如 图 3 。 图 3 铣齿机有限元模型 2 ． 1 模 态分析结果 利用大型有限元软件 A B A Q U S ，采用 L a n c z o s 模 态提取方法对铣齿机进行整机模态分析。提取 了前 2 0阶的模态 ，前 6阶低频模态提取结果在表 1中列 出。 表 1 铣齿机模态 分析结果 H z 阶数 一阶 二阶 三阶 四阶 五阶 六阶 固有频率 5 0 ． 8 8 2 7 7 ． 8 8 7 1 2 2 ． 1 7 1 5 3 ． 8 2 1 7 8 ． 9 6 2 6 8 ． 4 1 其中，一阶振型为立柱和主轴箱绕 轴的摆动； 二阶振 型为立 柱和主轴箱绕 Y 轴 的摆动 ；三 阶振 型为 立柱和主轴箱绕 Z 轴的扭转振动；四阶振型为立柱和 主轴箱绕 Y 轴的摆动以及 z 轴的扭动所组成的合成振 动；五阶振型为立柱绕 轴扭转振动，主轴箱绕 z 轴 摆动，振动主要集中在结合部，床身呈现轻微扭转振 动；六阶振型为立柱和主轴箱绕 Y轴的弯曲振动，床 身在靠近立柱的位置绕 Y 轴轻微摆 动 ，振 动主要集 中 在立柱和主轴箱的结合部。 2 ． 2 稳态动力学分析结果 铣齿加工为非连续性强力切削 ，瞬态切削力的影 响因素复杂且变化幅值大 ，国内某机床厂总结的铣削 功率计算公式如下 P 1 3 ． 41 0 d o “ 0 。 0 f 0 。 矶 1 式中k 为铣削功率修 正系数 ，查手册可 得 。 0 ． 8 9； 为铣 刀直径 ，lT l m； a 为铣削深度 ，即为被铣齿轮的全齿高，m m； u 童 躯 掇 邑 堇 盛 掣褥 凝 一 ． 山． 0 _ 、 一 6 i 般教鼹非害 恒爱鲻 斟