高速铣床工作台动态特性对加工精度影响的分析.pdf
2003 年 9月第 22 卷 第 3期沈阳工业学院学报JOURNAL OF SHENYANG INSTITUTE OF TECHNOLOGYVol.22 No.3Sep.2003文章编号:1003-1251(2003)03-0009-04高速铣床工作台动态特性对加工精度影响的分析范月宁,张志军,李舒平(沈阳工业学院 高速切削工程技术中心 辽宁 沈阳 110016)摘?要:随着机床向高速发展,随之带来一系列的问题,其中振动问题是不容忽视的,因此对高速铣床工作台的两种筋板布置形式进行动态特性分析,主要包括固有频率及其相应的振型等的分析,通过此分析找出对工件加工精度影响小的工作台筋板的布置形式是隔板型.关键词:高速铣床;工作台;动态特性中图分类号:O321?文献标识码:A收稿日期:2002-09-28作者简介:范月宁(1978?)女,辽宁海城人,硕士研究生.?在进行结构动力学分析的实际运用中,通常采取的方法是将连续系统离散化为只有有限个自由度的系统,由此求出连续系统的近似解.有限元法是对每个单元取假设模态,由于单元的数目通常比较大,假设模态就可以取简单一些;而且它以节点位移作为系统的广义坐标,可以降低系统微分方程的耦合程度,给用计算机求解带来方便,所以有限元法已成为分析复杂结构的有效方法和手段.本文就是采用有限元法,在大型有限元软件ANSYS 上对自行研制的 XS6380 型三轴联动高速铣床工作台进行动态特性分析.?由于工件直接夹紧在工作台上,所以工作台的动态特性对工件的加工精度将有直接的影响,而工作台的动态特性与其结构形式密切相关.本文借助三维 SOLIDWORKS 软件与有限元分析软件ANSYS,分析了 XS6380 型高速铣床两种工作台结构布局方式的动态特性,从而得到了接近激励频率的振型对工件加工精度影响较小的筋板布置形式.1?动态特性分析的理论基础在不考虑阻尼的情况下,对数控铣床工作台的结构进行剖分离散,n 个自由度系统的固有振动方程为:M?X+KX=0(1)?其中?X 为加速度向量,X 为位移向量,M 为质量矩阵,K 为刚度矩阵.?求解式(1)的固有频率和主振型的过程实质上是求式(2)特征值和特征向量的过程.K?=M?(2)?其中?为特征向量矩阵,?=?1?2?P,?i(i=1,2,?,p)为 n 阶列向量特征值矩阵?求解式(2)ANSYS 软件用的是Block Lanczos 方法.2?模态分析机床工作台模型是借助三维 SOLIDWORKS 软件建立的,忽略掉一些螺钉孔、销孔等直径小的孔,在模态分析中,这些因素对其分析影响很小.再把用SOLIDWORKS 建的模型导入有限元分析软件ANSYS 下面,划分网格、加约束条件、求解.工作台两种筋板的布置形式的有限元模型见图 1.2.1?分析结果2.1.1?低阶固有频率?对于?米?字型筋板,计算得出前100阶模态的固有频率,其中 6 阶接近 1?5Hz、3Hz、4?5Hz 的固有频率如表 1.表 1?米?字型筋板的低阶固有频率阶数6 阶7 阶15 阶16 阶36 阶37 阶固有频率/Hz1.377 511.875 912.699 703.013 734.416 33 4.504 02图 1?米?字型筋板和隔板型筋板工作台的有限元模型?对于隔板型筋板,计算得出前 100 阶模态的固有频率,其中 6 阶接近 1?5Hz、3Hz、4?5Hz 的固有频率如表2.表 2?隔板型筋板的低阶固有频率阶数6 阶7 阶15阶16阶31 阶32 阶固有频率/Hz1?394 81.831 8 2.728 03.063 34.454 24.532 92.1.2?低阶振型?对于?米?字型筋板,相对应固有频率的振型图见图 2.对于隔板型筋板,相对应固有频率的振型图见图 3.在超过 600Hz 时工作台振型见图 4.图2?米?字型筋板的低阶振型图2.2?筋板布置形式对工件加工精度的影响?只在进给状态下,由于滚珠丝杠驱动工作台移动,所以滚珠丝杠的振动频率将对工作台直接影响,XS6380 型高速铣床用 3 齿铣刀,每齿进给量为0.05mm、0.1mm、0.15mm,滚珠丝杠的螺距为20mm,主轴转数为 12000r/min,由此可得滚珠丝杠驱动工作台的频率为 1.5Hz,3Hz,4.5Hz.?接近 1?5Hz 的?米?字型筋板工作台和隔板型筋板工作台固有频率是第 6 阶振型,它对工作台变形贡献最大,其振型图如图 5.?由振型图可得如下分析结果 1:?米?字型筋板工作台第 6 阶振型为绕 Z 轴的弯曲,绕 X 轴的扭转,而隔板型筋板工作台第六阶振型只为绕 X 轴的弯曲.?米?字型筋板工作台和隔板型筋板工作台的变形范围较聚集且颜色过度明显,但分布方向不同,?米?字型筋板工作台沿 X 方向反对称分布,隔?10?沈 阳 工 业 学 院 学 报?2003 年图3?隔板型筋板的低阶振型图图 4?米?字型筋板和隔板型筋板的高阶振型图图5?接近 1?5Hz 的?米?字型筋板工作台和隔板型筋板工作台振型板型工作台沿 Z 方向对称分布.?由于?米?字型筋板工作台有一绕 X 轴的扭转运动致使工作台沿 Z 方向有平面度误差,而隔板型筋板工作台在中心部分变形较均匀,没有因扭转运动引起的平面度误差.?工作台在高度方向上以工作面为基面,?米?字型筋板工作台整体在 Z 方向以正弦波的形式进行蠕动,最大蠕动量为 27?9?m;隔板型筋板工作台整体在 X 方向上以正弦波的形式进行蠕动,最大蠕动量为 12?5?m.?接近 3Hz 的?米?字型筋板工作台和隔板型筋板工作台固有频率是第16阶振型,其对工作台变形贡献最大,其振型图如图 6.图6?接近 3 Hz的?米?字型筋板工作台和隔板型筋板工作台振型?由振型图可得如下分析结果:?米?字型筋板工作台第16阶振型为绕 Z 轴?11?第 3 期?范月宁等:高速铣床工作台动态特性对加工精度影响的分析的弯曲,绕 X 轴的弯曲,隔板型筋板工作台第 16 阶振型也为绕 Z 轴的弯曲,绕 X 轴的弯曲.?米?字型筋板工作台和隔板型筋板工作台的变形范围较分散且振动对称,分布较相似.?尽管?米?字型筋板工作台和隔板型筋板工作台有相同的振型形式,但隔板型筋板工作台的颜色变化梯度小.?工作台以中心点为圆心,以它到约束点为半径在 Z 方向作整体蠕动,工作台此时作平面弯曲.?接近 4?5Hz 的?米?字型筋板工作台和隔板型筋板工作台固有频率是第 32 阶振型和第 37 阶振型,它对工作台变形贡献最大,其振型图如图 7.图7?接近 4?5Hz 的?米?字型筋板工作台和隔板型筋板工作台振型?由振型图可得如下分析结果:?米?字型筋板工作台第 32阶为绕 Z 轴的扭转,隔板型筋板工作台第 37 阶振型也为绕Z 轴的扭转.?米?字型筋板工作台和格板型筋板工作台变形所表现的颜色比较单一,但米字型筋板工作台的变形(黄色)要大于格板型筋板工作台(绿色).?接近 4?5Hz时的?米?字型筋板工作台为第32 阶,隔板型筋板工作台为第 37阶,因此,在 4?5Hz以内,隔板型筋板工作台的固有频率及振型更密集.?由以上分析可知当频率为 1?5Hz、3Hz、4?5Hz时隔板型工作台的动态特性综合性能好于?米?字型工作台,对工件加工精度影响较小.?在 切 削 状 态 下,铣 轴 的 工 作 转 速 为12 000r/min,铣刀为3齿,由此可知主轴的工作频率为 600Hz.?由振型图可知,除了连接滑动导轨处有较大的变形,其他部分几乎不变,因此铣轴所产生的频率对工件的加工精度几乎没有影响.3?结论通过计算机模拟仿真高速铣床工作台的动态特性及分析,得出如下结论:?当频率为 1?5Hz、3Hz、4?5Hz时,隔板型筋板工作台加工工件的精度好于?米?字型筋板工作台.?工作台在高频激振下,其共振区只是作用在约束平面上.?高速切削时,刀具高频的激振对加工精度基本上无影响.参考文献:1许文本,焦群英.机械振动与模态分析基础M.北京:机械工业出版社,1988.2清华大学工程力学系、固体力学教研组振动组编.机械振动M.北京:机械工业出版社,1980.3谭国强.使用 ANSYS6.0 进行有限元分析 M.北京:北京大学出版社,2002.4嘉木工作室.ANSYS5.7 有限元实例分析教程 M.北京:机械工业出版社,2002.5王国强.实用工程数值模拟技术及其在 ANSYS 上的实践 M.西安:西北工业大学出版社,2001.Analysis of the Dynamic Characteristics of Worktable ofHigh?Speed Milling Machine and Its Effect on Machining PrecisionFAN Yue?ning,ZHANG Zhi?jun,LI Shu?ping(The Engineering Technology Center for High?Speed Machining,Shenyang Institute of Technology,Shenyang 110015,China)Abstract:With the development of high cutting and feed speed in machining process,a series of problemsappears,inwhich the vibration is the key?point.In this article,the analysisof dynamic characteristics about twoarrangement formsof the ribbed plate on the worktable of high?speed milling machine is carried out.This analysismainly refers to the inherent frequency and the vibration modes.Through this analysis,the optimal arrangementform of the ribbed plate on the worktable is separator plate form with less influence on the machining precision ofthe work piece.Key words:high?speed milling machine;worktable;dynamic characteristics?12?沈 阳 工 业 学 院 学 报?2003 年
