基于有限元的150m/s超高速平面磨床整机建模及结构改进分析

研磨者

基于有限元的150m/s超高速平面磨床整机建模及结构改进分析

作者:赵小青,黄红武,宓海青,贺兵, 机械 科学技术飞快发展,产品更新换代愈加频繁,市场竞争空前激烈。高速加工应运而生,它是提高加工 效率和零件表面质量的有效途径。由于高速加工机床在很高的切削速度下工作,产生振动的可能性 也相应提高,因此高速加工机床应具备比传统机床更高的刚度和抗振性。研究表明只有综合分析整 机系统才能揭示其完整动态特性,从而为优化设计提出有建设性的指导意见<1>。目前,有限元 法与试验模态分析法相结合是研究机床动态特性的主要方法,也是行之有效的方法之一。有限元分 析法是一种结构分析的有效数值方法,具有计算结果相对精确、运算效率相对较高等特点。本文利 用有限元法结合试验模态分析法针对超高速平面磨床整机系统进行了研究。1整机动力学模型的建 立建立正确的动力学模型是进行结构动力分析及优化设计的关键和基础。机床是一种大型的复杂结 构,要建立精确完整的动力学模型是很困难的。考虑到软硬件的限制及分析的目的与要求,应对模 型进行适当简化。模型简化应当根据分析目的、分析精度要求适当的取舍。本文针对研究对象简化 了床身上造成不对称的右侧圆筒结构,后部安装立柱的凸台;立柱去掉了前后导轨的小尺寸凸台; 工作台简化了圆角,及螺纹孔,退刀槽等,在此不再赘述。本文采用PRO/E建立三维几何模型 ,采用HYPERMESH建立有限元模型。值得注意的是,合理正确的网格划分是是整个有限元 分析的关键之一。网格划分的优劣对整个结构分析的有效性和可靠性具有全局性的影响。本文采用 手动分网与自由分网相结合,网格疏密有致,即提高了计算速度,也减少了计算机时。至于各零部 件之间的结合部,限多个不同模态,但并不是所有模态都会出现不稳本文通过弹簧和阻尼单元建立 等效动力学模型来模定现象(共振)。出现不稳定现象的模态称为薄弱模拟其动力特性。参数的确 定参照吉村允孝的实验数态,薄弱模态一般是低阶模态。因此模态分析主要据库及有关文献<3> 。在床身底部施加固定约束。集中在低阶模态的分析上。表1列举了机床前300HzZZ固有频 率的计算值及实验值。XXYY由计算结果结合振型动画显示,综合分析,总体来说[s:3]1)立柱 在低阶模态中具有比较大的弯曲、扭转振动;(2)磨头系统整体作弯曲或平移振动,相应砂轮图 1几何模型图图2有限元模型图的振动也很大;2整机模态分析(3)从磨床结构分析可知,立柱 和磨头体的振动,会带动砂轮随之振动,从而严重影响磨床的切削性模态分析用于确定结构或机器 部件的振动特能和整机的抗振性;(4)由振型可见,立柱与床身性,是其它进一步分析的基础。 模态分析反映了结的结合部和磨头与立柱的结合部为主要薄弱结合构本身的力学性能,与载荷无关 ,因此它能全方位部。砂轮与主轴的固定锥度结合部也需注意;地体现结构的固有特性。通过分析 模态振型,可找(5)工作台与拖板在高阶模态弯曲振动较为明出机床结构的薄弱环节和可能的破 坏区域,由此为显。机床结构优化提供参考依据。结合以上分析,本文对机床结构实行了相应改机 床是一个复杂的振动系统,具有无限多个自进,包括整体铸造,加翅等方式,并进行模态分析由度 ,存在对应于其固有频率的无限多个振型,即无观察改进效果<2>。表1150m/s超高速平 面磨床前12阶固有频率及振型表阶数123456789101112频率计算值12.802 9.0944.5280.8386.4897.32117.9139.2184.7199. 8232.9282.8实测值29.3101.4125.2132.2187.2211.3 288.5本试验采用的试验设备主要包括:YD62、3超高速平面磨床试验模态分析YD22 加速度传感器、CA-1电荷放大器、U60216数据采集仪、Odyssey2.0Nico let波形记录分析仪等。试验模态分析(EMA)又称为模态分析的试验图3所示为在线速度为 30m/s,主轴转速1914r/min,过程。是理论模态分析的逆过程。试验测试系统主磨 削进给量0.005mm工况下的磨床的振动信号进行要包括三个主要部分:激振系统、信号拾取 与放大、频谱分析后的低频率和高频率的频谱。计算机处理软件。用有限元和试验方法两种方法分 析超高速平在本文中,机床结构的多点动力响应由加速度面磨床的动态特性,两者相互补充可使分 析结果传感器拾取,经滤波、放大、A/D变换后送入PC更精确。事实上。把有限元计算和实验 模态分析机中。由软件进行FFT、变换平均、滤波、等各种有机地结合起来对机械结构进行分析 已成为当前处理,再经频响函数获脉冲响应函数估计,得到各普遍采用的较为完善的研究方法之一 。种曲线。如振动时程曲线,信号频率谱线等。的提高,加工质量的改善都有良好影响。通过比较 可知,床身和立柱整体铸造对机床整机固有特性提高影响显著,对加工质量影响很大的立柱的z向 振动被有效降低。这也就是为什么新一代超高速精密机床基本都采用无立柱的整(a)体床身式结 构。封闭床身和立柱加翅对提高部件固有频率有一定贡献,但对整机固有频率的提高影响不大。其 中封闭床身的纵向筋板的窗口与否对提高固有频率影响甚微。相反留有窗口有利于(b)清砂和减 轻床身质量。磨头支架加筋可以提高该部图3信号的频谱(高频率)件的固有频率,尤其是提高有 害模态的频率(提高了33.1%),如在yoz平面的弯曲。但是磨头支架属4改进型整机动力 学模型及其模态分析于移动部件,增加其质量在一定程度上反而会影响整机的固有频率,由于整机 的低阶模态中磨头支架通过床身立柱整体铸造(或整体焊接),立柱上的参振系数较小,仿真表明 ,增加筋板的改进整机加翅,床身封窗,磨头支架加筋等措施,建立改进低阶固有频率反而有所降 低,由此说明提高部件的后的机床几何模型及有限元模型。通过模态分析,固有频率不一定意味着 整机固有频率的提高。可见整体低阶固有频率有明显提高,这对整体刚度5结束语(1)建立了超 高速平面磨床的整机动力学有限元模型,并进行了模态分析。(2)CAD与CAE结合,在设计 初期阶段及结构优化改进阶段帮助进行建模与分析是现代机床设计发展的趋势。但是整机有限元法 由于软件平台的欠缺不能计及陀螺力矩,因此对机床整机的分析具有局限性,同时也说明在这方面 还有待研究的进一步深入,这种方法简单,快捷,将会有更广阔的应用前景。(3)在当前机床向 高速化发展的国际化趋势下,提高整机的固有频率,增强机床整体的动力特性是非常重要的。因此 下一步的优化设计尤为迫切。(4)研究表明,床身和立柱整体铸造对机床整机固有特性提高影响 显著。单独研究零部件的动态特性并作结构改进并不全面,欲得机床实际性能需作整机分析。基于有限元的150m/s超高速平面磨床整机建模及结构改进分析