朱鐵軍　周帥

摘要：機(jī)床切削能力的高低在很大程度上受動態(tài)性能的影響。本文以某立式加工中心的動力學(xué)測試結(jié)果為依據(jù)，對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在優(yōu)化前后分別對機(jī)床進(jìn)行了測試，測試結(jié)果表明優(yōu)化效果十分明顯，這證明了以動力學(xué)測試為依據(jù)對機(jī)床進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化是可行的。

關(guān)鍵詞：立式加工中心;動力學(xué)測試; 結(jié)構(gòu)優(yōu)化;動態(tài)性能

前言

機(jī)床的動態(tài)性能直接決定了機(jī)床的加工能力[1]，因此對機(jī)床動態(tài)性能進(jìn)行優(yōu)化是提高機(jī)床加工效率與加工質(zhì)量的重要手段。本文以某立式加工中心為例，以其動力學(xué)測試的結(jié)果為依據(jù)，在測試的結(jié)果基礎(chǔ)上定位機(jī)床的薄弱環(huán)節(jié)并進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，并在改進(jìn)后重新生產(chǎn)樣機(jī)進(jìn)行切削振動和模態(tài)測試的對標(biāo)試驗(yàn)以驗(yàn)證性能優(yōu)化的效果。

1機(jī)床性能優(yōu)化前的動力學(xué)測試

在結(jié)構(gòu)優(yōu)化前，對機(jī)床進(jìn)行了一系列的動力學(xué)測試，測試項(xiàng)目包括主軸空轉(zhuǎn)振動測試、機(jī)床部件的自由模態(tài)測試、機(jī)床整體模態(tài)測試和動剛度測試。

主要測試結(jié)果如下：

1）主軸空轉(zhuǎn)振動測試：20000rpm以內(nèi)，機(jī)床的空轉(zhuǎn)振動不大，最大值不超過1.5mm/s，共振轉(zhuǎn)速為10000rpm和14000rpm，不存在動平衡/不對心/組件松動等問題;

2）模態(tài)測試：500hz帶寬內(nèi)整機(jī)存在12模態(tài)，主軸箱3階，工作臺2階，立柱只有1階模態(tài)。觀察模態(tài)振型可知，300hz以下時，主軸箱為主要振動部件;300hz到500hz時，工作臺為主要振動部件;500hz以上時，床身開始振動;

3）動剛度測試：機(jī)床各部件中，工作臺的動柔度最高，達(dá)到了0.14e-6m/N，該值明顯偏高;動柔度第二高的部件為床身，數(shù)值為0.06e-6m/N，該值比較正常。

2機(jī)床結(jié)構(gòu)改進(jìn)

通過對測試結(jié)果的分析，該立式加工中心結(jié)構(gòu)改進(jìn)的主要著眼點(diǎn)為避開10000轉(zhuǎn)和14000轉(zhuǎn)的共振、增加工作臺動剛度，以及減小主軸箱、工作臺的振動?？紤]到固有頻率是物體本身的固有屬性，主要受質(zhì)量和結(jié)構(gòu)的影響，因此做出如下改進(jìn)方案：

4）適當(dāng)減小工作臺和主軸箱的尺寸以提高工作臺的固有頻率，并避開電機(jī)在10000轉(zhuǎn)時的共振;

5）改變工作臺和主軸箱里面筋板的尺寸和形狀;

6）在主軸箱內(nèi)增加鑄造砂孔;

7）增加主軸箱、工作臺分別與導(dǎo)軌的接觸面積，并適當(dāng)增加約束，目的是以減小主軸箱和立柱結(jié)合面以及工作臺和滑鞍結(jié)合面的相對移動并提高動剛度[2];

8）立柱固有頻率很高，相對來說不存在動態(tài)性能問題，從節(jié)約成本的角度考慮，可以適當(dāng)減小其體積，體積的減小也等同機(jī)床總質(zhì)量的降低，這也有助于提高機(jī)床的動剛度;

9）增加地腳數(shù)量[3]。將四地腳改為六地腳，以提高機(jī)床支撐剛度。

3測試與驗(yàn)證

機(jī)床進(jìn)行結(jié)構(gòu)改型后，重新生產(chǎn)了一臺樣機(jī)，對樣機(jī)作模態(tài)測試和切削振動測試以驗(yàn)證動態(tài)性能是否得到優(yōu)化。結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的測試現(xiàn)場見圖1，整機(jī)模態(tài)測試的結(jié)果如表1。

從測試結(jié)果來看，優(yōu)化后整機(jī)模態(tài)的各階頻率有明顯提升。為進(jìn)一步確認(rèn)優(yōu)化成果，對機(jī)床進(jìn)行了切削振動的對標(biāo)測試。

切削振動測試數(shù)據(jù)較多，這里僅列出主軸鼻端10000rpm和14000rpm的測試數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的振動數(shù)據(jù)分別如圖3和4所示。

從測試結(jié)果可以看出，切削振動值有明顯的下降，機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果顯著。

4.結(jié)論

本文基于動力學(xué)測試對某立式加工中心進(jìn)行動態(tài)性能優(yōu)化，并進(jìn)行模態(tài)和切削振動的對標(biāo)測試。從測試的結(jié)果來看，提升了整機(jī)的固有頻率并減小了振動，優(yōu)化效果顯著，這證明通過該方式提高機(jī)床的動態(tài)性能是可行的。

參考文獻(xiàn)

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[3] 周雪鋼，趙峰，馬曉波等. 基于模態(tài)測試的機(jī)床動態(tài)性能優(yōu)化[J]. 機(jī)床與液壓，2013，41（23）：24-27.