吳玉厚 趙德宏 饒良武

(沈陽(yáng)建筑大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110168)

在加工精度及加工效率都比較高的加工中心，在其研發(fā)過程中必須考慮到機(jī)床的振動(dòng)問題［1］。異性石材加工中心HTM50200是本校研制的車銑復(fù)合式機(jī)床，其可分度車削頭為該加工中心的關(guān)鍵部件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，各部位剛度差異較大，其薄弱環(huán)節(jié)與關(guān)鍵位置處動(dòng)態(tài)特性直接影響到整機(jī)的加工質(zhì)量。所以，分析車削頭的動(dòng)態(tài)特性對(duì)保證加工中心的加工精度與使用壽命顯得尤為必要。目前，模態(tài)分析是研究機(jī)床動(dòng)態(tài)特性性能的主要方法，其主要內(nèi)容是獲取結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性即固有頻率、阻尼比和主振型［2］，也是承受動(dòng)載荷的重要參數(shù)。模態(tài)分析方法主要有2種［3－4］:一種是基于有限元法的理論建模與分析，另一種是以模態(tài)測(cè)試為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析。本文利用Solidworks建立實(shí)體模型，借助有限元分析軟件ANSYS對(duì)車削頭進(jìn)行模態(tài)分析，并采用東方所 INV3018C高精度采集儀和DASP－V10測(cè)試分析軟件運(yùn)行平臺(tái)，對(duì)關(guān)鍵部件的固有特性及振動(dòng)情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與分析，獲取了車削頭前幾階固有頻率與模態(tài)振型，找出了該結(jié)構(gòu)件上存在的薄弱環(huán)節(jié)，從而為分析和評(píng)價(jià)機(jī)床結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了可靠依據(jù)。

1 車削頭的模態(tài)分析

1.1 車削頭的有限元分析

被分析的車削頭采用Solidworks三維建模軟件完成，將其導(dǎo)入ANSYS的Workbench中實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接，如圖1。邊界條件:區(qū)域A和B通過8個(gè)高強(qiáng)度螺栓固定在滑鞍上的滑板上，可視為剛性連接，故在螺栓孔處施加全方位約束，包括X、Y、Z及3個(gè)旋轉(zhuǎn)方向。

該車削頭材料為HT200，選用AWB默認(rèn)網(wǎng)格劃分設(shè)定進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分［5－6］，有限元模型如圖2。

1.2 車削頭的試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)分析主要是測(cè)試系統(tǒng)的頻響函數(shù)，通過對(duì)頻響函數(shù)的分析來(lái)獲得機(jī)床部件各種振動(dòng)特性參數(shù)，如固有頻率、阻尼比和模態(tài)振型。本模態(tài)測(cè)試采用單點(diǎn)激勵(lì)多點(diǎn)響應(yīng)的方法獲取傳遞函數(shù)。

(1)試驗(yàn)設(shè)備 東方所INV3018C高精度采集儀，5個(gè)9822型單向加速度傳感器(0.5～5 kHz)，激振力錘，電荷放大器和DASP－V10測(cè)試分析軟件。

(2)試驗(yàn)過程 將車削頭停放在橫梁中間位置，并將其移動(dòng)到滑鞍的最低位置處。根據(jù)車削頭的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，主軸箱體與上箱體之間的結(jié)合面是主要承載主軸部件及切削力的支撐部位，所以在此連接處設(shè)置了測(cè)試響應(yīng)點(diǎn)，并在振源附近和其他連接點(diǎn)處布置了測(cè)點(diǎn)。各測(cè)點(diǎn)具體位置如圖3所示。由于用來(lái)鋸切石材的鋸片安裝在錐形主軸的大端處，故以此處附近點(diǎn)作為激振點(diǎn)，以便更好地模擬實(shí)際加工狀態(tài)。試驗(yàn)過程分為22批次進(jìn)行，每次測(cè)量5點(diǎn)，最終完成車削頭模態(tài)試驗(yàn)的測(cè)試。

2 車削頭的模態(tài)分析結(jié)果

結(jié)構(gòu)的振動(dòng)可以表達(dá)為各階固有振型的線性組合，其中低階固有振型較高階對(duì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)影響較大，越是低階對(duì)結(jié)構(gòu)的影響越大，因此低階振型對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性起決定作用［7］，故進(jìn)行車削頭的振動(dòng)特性分析計(jì)算時(shí)取前4階。

將ANSYS模態(tài)分析與試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析得到的車削頭前4階固有頻率與振型分析進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。圖4、圖5分別為試驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試和ANSYS模態(tài)分析所獲得的部分振型圖。

表1 車削頭固有頻率與振型分析

如表1所示，計(jì)算頻率與試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的結(jié)果存在著一定的差距，主要原因有:由于對(duì)車削頭理論建模時(shí)，簡(jiǎn)化了一些對(duì)計(jì)算頻率影響較小的因素，比如結(jié)構(gòu)上的螺紋孔、凸臺(tái)、倒角等的簡(jiǎn)化;車削頭與滑鞍的剛性連接的假設(shè);非線性因素的忽略等，從而造成了低階試驗(yàn)頻率稍小于ANSYS模態(tài)分析計(jì)算頻率而高階略大的結(jié)果，但誤差率均小于10%，滿足工程要求。

由振型圖可以得出，ANSYS模態(tài)分析得到的前五階模態(tài)振型與試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的振型基本一致，都具有以下特征:第一、二階振型是車削頭分別沿Y和Z方向的擺動(dòng)，其中主軸箱底部變形均最大;第三模態(tài)振型則是繞X方向扭轉(zhuǎn)，車削頭后連接板處產(chǎn)生變形較大;第四階振型主要是整體朝Y向彎曲，最大變形位置在主軸前端處。

3 動(dòng)剛度測(cè)試

動(dòng)剛度是衡量機(jī)床抗振性能的重要指標(biāo)，其數(shù)值等于產(chǎn)生單位振幅所需的動(dòng)態(tài)力。其測(cè)試方法與模態(tài)測(cè)試所用到的軟硬件相類似，同樣采用隨機(jī)信號(hào)對(duì)安裝鋸片的主軸端面處進(jìn)行激振，并用加速度傳感器獲取響應(yīng)信號(hào)，記錄激振力及響應(yīng)的數(shù)據(jù)后，將分析得出來(lái)的傳遞函數(shù)進(jìn)行兩次積分再求倒數(shù)便是動(dòng)剛度曲線［8］。圖6為車削頭主軸X方向的動(dòng)剛度曲線。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)對(duì)比ANSYS理論模態(tài)與試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的結(jié)果可以得出，車削頭主軸前端及主軸箱后連接板處的振動(dòng)比較激烈，是整個(gè)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，實(shí)際加工時(shí)也是很容易發(fā)生顫振的地方。

(2)兩種不同的模態(tài)分析方法，得出的結(jié)果有所差異，但還是在誤差允許的范圍之內(nèi)，滿足工程要求。從經(jīng)濟(jì)性和可靠度方面來(lái)說(shuō)，在分析關(guān)鍵部件的動(dòng)態(tài)特性時(shí)，ANSYS模態(tài)分析方法不失為一種好方法。

(3)明確了加工中心關(guān)鍵部件的動(dòng)態(tài)特性分析需考慮的內(nèi)容，包括固有頻率、阻尼比、模態(tài)振型、動(dòng)剛度等振動(dòng)性能指標(biāo)，為分析和評(píng)價(jià)機(jī)床結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能，指導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了可靠依據(jù)。

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