謝用記

摘要：銑床是機(jī)械加工制造過(guò)程中十分常用的一項(xiàng)基本設(shè)備，加工工件時(shí)銑床會(huì)發(fā)生振動(dòng)，在振動(dòng)的作用之下，不管是工件還是刀具其位置、相對(duì)速度均會(huì)有一些變化發(fā)生，勢(shì)必會(huì)對(duì)加工精度造成影響。若實(shí)際操作中可以將銑床固有頻率避開工作頻率，那么從原理上來(lái)說(shuō)就可以有效規(guī)避共振情況的出現(xiàn)，因此當(dāng)前針對(duì)針對(duì)銑床結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性分析的分析非常必要。鑒于此，文章主要從多角度進(jìn)行數(shù)控銑床振動(dòng)模態(tài)分析，供大家參考。

關(guān)鍵詞：數(shù)控銑床；振動(dòng)；模態(tài)分析

當(dāng)前數(shù)控機(jī)床正朝著高精度方向發(fā)展，這種新形勢(shì)下研發(fā)出的銑床其動(dòng)態(tài)特性非常好，充分滿足了社會(huì)發(fā)展需求。然而建立接頭力學(xué)模型，往往需要事先了解機(jī)床整體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性及其中的薄弱環(huán)節(jié)，這樣才能確保數(shù)控機(jī)床整體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，對(duì)于加工精度的提升具有非常重要的現(xiàn)實(shí)性意義。振動(dòng)模態(tài)分析實(shí)際上就是確定銑床振動(dòng)特性，固有頻率與主振型承受動(dòng)荷載的重要參數(shù)，通過(guò)模態(tài)分析可以對(duì)振型是否會(huì)對(duì)加工精度帶來(lái)影響進(jìn)行科學(xué)判斷，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)銑床部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 模態(tài)測(cè)試與分析系統(tǒng)概述

所謂模態(tài)分析，是指利用多點(diǎn)激振單點(diǎn)拾振錘擊法，在振動(dòng)與動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)CRAS中進(jìn)行激勵(lì)信號(hào)與響應(yīng)信號(hào)的采集及分析處理。錘擊激振作為瞬態(tài)激振的一種形式，其應(yīng)用的設(shè)備非常簡(jiǎn)單，在實(shí)際使用中也十分簡(jiǎn)單靈活，現(xiàn)場(chǎng)與在線測(cè)試都非常簡(jiǎn)單，整個(gè)實(shí)驗(yàn)的整體周期較短。按照測(cè)試的實(shí)際情況與銑床結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)看，可以利用力錘進(jìn)行激振，這種激振方式與使用其他激振裝置相比靈活性更高，足以激勵(lì)起小型數(shù)控銑床，因此在小型結(jié)構(gòu)模態(tài)分析中比較適用。在模態(tài)分析中計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要起到分析、控制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的作用，利用CRAS作為模態(tài)分析軟件，其中主要涉及到的模塊有很多，例如數(shù)據(jù)采集與處理模塊、機(jī)械與結(jié)構(gòu)模態(tài)分析模塊等，應(yīng)用該系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)可以發(fā)出的控制信號(hào)可以有效采集各種數(shù)據(jù)，對(duì)其采集數(shù)據(jù)過(guò)程進(jìn)行控制，同時(shí)將信號(hào)以數(shù)據(jù)文件方式硬盤上記錄，待信號(hào)采集工作完成之后，由該系統(tǒng)完成函數(shù)傳遞分析及模態(tài)參數(shù)辨識(shí)等相關(guān)工作。

2 分析建立有限元模型的過(guò)程

主軸箱、立柱與導(dǎo)軌共同組成了銑床的整體結(jié)構(gòu)，有限元模型建立可以充分反映出整體結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，與此同時(shí)，還能利用其在局部區(qū)域中適當(dāng)簡(jiǎn)化，基于其中的重要構(gòu)件建模，例如結(jié)構(gòu)主軸、立柱等，在此基礎(chǔ)上利用ANSYS建立銑床三維實(shí)體模型。有限元模型建立步驟：首先，由于銑床中都是簡(jiǎn)單的平面，并不存在復(fù)雜的曲面，因此建立模型的過(guò)程中通常以十節(jié)點(diǎn)四面體等為參數(shù)單元，以便于滿足計(jì)算精確度要求；其次，銑床的鑄造材料選擇16Mn鋼，這類鋼材彈性模量E=206GPa；第三，劃分網(wǎng)格，這里建模利用ANSYS人工控制網(wǎng)絡(luò)劃分方式來(lái)劃分網(wǎng)格，將網(wǎng)格單元邊場(chǎng)地設(shè)定為0.005m，這樣既可滿足在計(jì)算精度方面提出的要求；第四，嚴(yán)格按照銑床工作的實(shí)際情況固定銑床底部的自由度。

3 模態(tài)分析

銑床模態(tài)的求解過(guò)程中會(huì)用到ANSYS中提供的Block Lanczos法，由于利用Block Lanczos法求解得到的值其精度通常比較高，同時(shí)計(jì)算速度也比較快，在大型結(jié)構(gòu)求解問(wèn)題中比較適用。從構(gòu)件立柱模態(tài)分析的角度來(lái)看，在銑削交工時(shí)其振源頻率處于低頻范圍，所以振動(dòng)影響比較大，換句話說(shuō)低階時(shí)帶來(lái)的影響就是很大的，按照該理論來(lái)看低階振型將直接決定著立柱的動(dòng)態(tài)特性。本次研究中求解主要進(jìn)行了10階模態(tài)的擴(kuò)展，下面從這10階模態(tài)中提取5階對(duì)其振動(dòng)特性展開分析。

從前5階固有振動(dòng)頻率情況可以找到銑床立柱變形有哪些特點(diǎn)。前5階固有頻率振型：

1.階振型以主軸箱和立柱為振動(dòng)主體，他們相對(duì)扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，不會(huì)發(fā)生變形的部分是銑床的底座，而發(fā)生位移量最大的地方是立柱頂端，其位移量是0.0296m；

2.階振型以主軸箱和立柱為振動(dòng)主體，他們會(huì)沿著底座短邊的方向發(fā)生相對(duì)擺動(dòng)運(yùn)行，這種情況下銑床的底座不會(huì)有變形情況發(fā)生，其中立柱頂端是發(fā)生最大相對(duì)位移的地方，其位移量是0.0259m；

3.階振型以主軸箱和立柱為振動(dòng)主體，他們按照順時(shí)針發(fā)生相對(duì)扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中不會(huì)發(fā)生變形的是銑床的底座部分，而立柱頂端是發(fā)生最大相對(duì)位移的地方，其位移量是0.0322m；

4.階振型以主軸箱和立柱為振動(dòng)主體，這些振動(dòng)主體會(huì)沿著底座部位最短邊做彎曲運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中習(xí)作底座不會(huì)有變形發(fā)生，立柱頂端是發(fā)生最大相對(duì)位移的地方，其位移量為0.0318m；

5.階振型中立柱均為振動(dòng)主體，兩個(gè)振動(dòng)主體分別沿著底座短邊方向，向內(nèi)凹做彎曲運(yùn)動(dòng)，彎曲運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不會(huì)有變形發(fā)生的是銑床底座，其中立柱中間部位會(huì)發(fā)生最大相對(duì)位移，其位移量是0.0382m。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，通過(guò)這篇文章中對(duì)有限元模態(tài)分析的論述我們可以了解到前5階固有頻率及振型，從分析中可以看出，前5階振型中的主軸箱和立柱均為振動(dòng)主體，并且發(fā)生扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的有第1階、第3階，而第2階則發(fā)生了搖擺運(yùn)動(dòng)，發(fā)生彎曲運(yùn)動(dòng)的有第4階、第5階。在加工工件、銑床設(shè)計(jì)中，本文模態(tài)分析結(jié)果主要起到了非常重要的指導(dǎo)性意義，從上述分析中可見(jiàn)，新產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中利用ANSYS有限元分析軟件，很多工程技術(shù)上的問(wèn)題均可以得到有效解決，這是當(dāng)前工程設(shè)計(jì)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。通過(guò)本文的銑床模態(tài)分析可以深入了解銑床受力構(gòu)件立柱振動(dòng)特點(diǎn)，進(jìn)而為后續(xù)的產(chǎn)品改進(jìn)、設(shè)計(jì)提供有效依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]程耀楠，鞏亞楠，韓禹，劉利，劉立佳，高軍.水室封頭重型銑削加工刀盤與主軸系統(tǒng)振動(dòng)模態(tài)分析[J].振動(dòng)與沖擊，2015，（18）：3944.

[2]李和明.基于ANSYS WORKBENCH某型數(shù)控銑床工作臺(tái)靜模態(tài)分析[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2012，（06）：9394+98.

[3]李津，洪榮晶，張金，陸慧慧. 數(shù)控銑齒機(jī)主軸箱箱體振動(dòng)模態(tài)及試驗(yàn)分析[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2012，（05）：2427.

[4]霍軍周，蔡春剛，杜長(zhǎng)林，李震，陳杰，冷磊.基于有限元法的數(shù)控銑床雙擺銑頭振動(dòng)特性分析[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2011，（04）：2427+30.