郭召

西安大醫(yī)集團(tuán)股份有限公司 陜西西安 710000

1 序言

一種摩擦輪驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)機(jī)架如圖1所示，其底部支撐為框形箱體結(jié)構(gòu)?？蛐蜗潴w頂部安裝4組摩擦輪傳動(dòng)箱，共同托舉滾筒做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。摩擦輪安裝后要求同側(cè)摩擦輪同軸，兩側(cè)摩擦輪平行?？蛐蜗潴w頂部安裝結(jié)合面的加工精度是保證裝配精度的基礎(chǔ)。

圖1 摩擦輪驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)機(jī)架

在精密加工過程中切削振動(dòng)會(huì)造成加工精度及表面質(zhì)量降低，還會(huì)加劇刀具磨損[1]。對于大型箱體類零件，采用盤狀多齒刃銑刀加工，切削力會(huì)發(fā)生周期性變化，加工過程中的激振頻率對箱體加工面的影響不容忽視[2]。本文針對旋轉(zhuǎn)機(jī)架框形箱體支撐結(jié)構(gòu)的頂部安裝結(jié)合面加工表面質(zhì)量不高的問題，對其進(jìn)行模態(tài)分析，識別出振型及模態(tài)，并核算不同工藝參數(shù)的激振頻率，進(jìn)行諧響應(yīng)分析，在此基礎(chǔ)上對切削工藝參數(shù)及裝夾方式進(jìn)行優(yōu)化，避免了切削振動(dòng)對加工精度的影響。

2 框形箱體模態(tài)分析

對框形箱體三維模型進(jìn)行簡化，去除不影響分析精度的螺孔、圓角和倒角等特征。將模型導(dǎo)入有限元分析軟件，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，建立的有限元模型如圖2所示，共計(jì)30413個(gè)單元和87831個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖2 框形箱體有限元模型

模擬框形箱體在加工過程中的裝夾方式，對箱體底部四角與機(jī)床工作臺的固定結(jié)合面施加固定約束，對框形箱體進(jìn)行模態(tài)分析，獲取前6階模態(tài)。箱體前6階模態(tài)信息見表1，前6階模態(tài)振型如圖3所示。第1階模態(tài)，頻率210.11Hz，箱體在水平面內(nèi)先收縮后向外膨脹，最大位移1.86mm，發(fā)生在箱體中部。第2階模態(tài)，頻率210.85Hz，箱體在水平面內(nèi)前后擺動(dòng)，最大位移1.83mm，發(fā)生在箱體中部。第3階模態(tài)，頻率337.68Hz，箱體前端上下擺動(dòng)，最大位移2.40mm，發(fā)生在箱體前端中部。第4階模態(tài)，頻率341.6Hz，箱體后端上下擺動(dòng)，最大位移2.47mm，發(fā)生在箱體后端中部。第5階模態(tài)，頻率488.64Hz，箱體在水平面內(nèi)扭擺，最大位移2.24mm，發(fā)生在箱體后端。第6階模態(tài)，頻率490.58Hz，箱體在水平面內(nèi)扭擺，最大位移2.22mm，發(fā)生在箱體前端。

圖3 框形箱體前6階模態(tài)振型

表1 框形箱體的前6階模態(tài)

3 切削加工激振頻率及銑削力計(jì)算

框形箱體在龍門式加工中心上進(jìn)行精密銑削加工，主要工序?yàn)槊驺?，采用多刃齒盤狀銑刀。由切削引起的激振頻率f通過式（1）計(jì)算，不同切削參數(shù)的激振頻率計(jì)算見表2。

表2 不同切削參數(shù)的激振頻率

式中，n為主軸轉(zhuǎn)速（刀具轉(zhuǎn)速）（r/min）；z為銑削刀具切削刃數(shù)量（z）。

通過上文的分析，框形箱體自身最低固有頻率為210.11Hz，6刃及8刃齒的盤狀銑刀在低轉(zhuǎn)速下所產(chǎn)生的激振頻率小于箱體低階固有頻率，隨著轉(zhuǎn)速提高，激振頻率將進(jìn)入箱體的固有頻率范圍，有引發(fā)共振、導(dǎo)致嚴(yán)重切削振動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。因此加工時(shí)選擇前角為45°的6刃齒盤狀銑刀進(jìn)行加工，精加工時(shí)設(shè)定主軸轉(zhuǎn)速為1000r/min，產(chǎn)生的激振頻率為100Hz。

4 諧響應(yīng)分析

對框形箱體進(jìn)行諧響應(yīng)分析，識別在不同激振頻率及激振力作用下箱體的響應(yīng)，進(jìn)一步確定銑削工藝參數(shù)選擇的合理性[3]。模擬框形箱體加工過程中的裝夾方式，對底面施加固定約束。箱體頂部安裝結(jié)合面由4塊200mm×450mm的共面小平面組成，加工時(shí)4個(gè)平面一次裝夾，單獨(dú)加工。在該面上施加160N銑削力，獲得的頂部平面位移響應(yīng)曲線如圖4所示。隨著外界載荷頻率的增大，位移響應(yīng)逐漸增大，在350Hz附近達(dá)到最大值；隨后位移響應(yīng)減小，在375Hz附近位移響應(yīng)值最小；隨后隨著頻率增加，位移響應(yīng)逐漸增大。

圖4 銑削過程的位移響應(yīng)曲線

5 切削工藝參數(shù)優(yōu)化及加工驗(yàn)證

根據(jù)仿真分析，采用6刃齒45°盤狀銑刀對框形底座頂部進(jìn)行加工，吃刀量0.5mm，進(jìn)給速度300mm/min，主軸轉(zhuǎn)速1000r/min。箱體放置在水平調(diào)整墊鐵上，找正后用壓板壓緊，將箱體整體固定在龍門銑工作臺上，效果如圖5所示。箱體頂部關(guān)鍵結(jié)合面加工后平面度精度達(dá)到0.062mm，表面粗糙度值Ra為1.6～3.2μm。加工過程中切削噪聲較小，沒有發(fā)生明顯的切削振動(dòng)。

圖5 框形箱體裝夾效果

6 結(jié)束語

切削振動(dòng)是引起零件加工誤差及表面質(zhì)量缺陷的一個(gè)主要原因[4]。通過對框形箱體進(jìn)行模態(tài)分析，辨識其固有頻率及各階振型，在此基礎(chǔ)上選擇避開共振的切削加工參數(shù)，可以有效保證加工精度。