立式加工中心模態(tài)性能仿真分析與試驗測試
海天精工 加工中心 鉆攻中心前言：引言精工加工中心的模態(tài)性能（固有頻率,、阻尼比,、模態(tài)振型）對加工中心的加工精度具有重要影響W.在加工中心的設計階段，可以采用有限元仿真的方法分析加工中心的模態(tài)性能,，并進行結構優(yōu)化設計,，從而提高加工中心的加工精度.李明林等人仿真分析了一臺加工中心的模態(tài)性能，并通過試驗驗證了仿真的準確性m.翁德凱等人仿真分析了一臺立式加工中心的模態(tài)性能,，并提出了加工中心結構優(yōu)化建議M .劉志偉等人以一臺磨床的主軸系統(tǒng)為對象,，采用有限元的方法仿真了不同預緊力作用下主軸系統(tǒng)的模態(tài)性能W .雖然國內學者對加工中心模態(tài)性能的仿扛方法進行了大W研究•似足如何添加邊界條件，從而準確仿真加工中心的模態(tài)性能,，仍然是「1彳內學者們研究的熱點.本文以某立式加工中心為對象,，首先采用有限元的方法仿真分析了加工中心的模態(tài)性能，并與試驗結果進行了對比,，最后對加工中心的結構進行了優(yōu)化.研究方法對于提高加工中心的模態(tài)性能具有指導意義.海天精工 備注：為保證文章的完整度,，本文核心內容都PDF格式顯示，如未有顯示請刷新或轉換瀏覽器嘗試,，手機瀏覽可能無法正常使用,！1 立式加工中心模態(tài)性能仿真分析1-1有限元模型建立 立式加工中心主要由床身、床鞍,、工作臺,、立柱,、主軸箱、主軸系統(tǒng),、導軌滑塊等組成,，結構如圖i (a)所示.建立加工中心整機的實體模型時，只考慮這些主要的零部件,，并忽略掉倒角,、圓角,、凸臺,、小孔等結構細節(jié).采用自由網(wǎng)格劃分的方法，共生成節(jié)點394個,，單元22〇 486個,，如圖1 (b)所示. 床身、床鞍,、工作臺,、立柱、主軸箱的材料是HT3〇0,主軸系統(tǒng),、導軌滑塊的材料是40Q.,，材料屬性參數(shù)[s]如表1所示. 表1材料屬性參數(shù) 材料 彈性模量（GPa) 泊松比 密度（kg/m3) HT300 130 0.24 7 250 40Cr 200 0.3 7 850 1.2結合面建模方法大量研究表明，提高加工中心模態(tài)性能仿真精度的關鍵在于準確添加結合面之間的參數(shù)隊'該立式加工中心的結合面可以分為兩類：⑴螺栓固定結合面,，存在于立柱和床身,、主軸系統(tǒng)和主軸箱之間，即立柱和主軸系統(tǒng)通過螺栓分別固定在床身和主軸箱上,；（2)導軌滑塊結合面,，存在于工作臺和床鞍、床鞍和床身,、主軸箱和立柱之間,，即工作臺、床鞍和主軸箱可以在導軌上分別沿a：,、2/,、z向運動.某企業(yè)基于國家科技重大專項，與高校合作開發(fā)了結合面數(shù)據(jù)庫,，在數(shù)據(jù)庫中輸人結合面載荷和面積,，就可以得到結合面的剛度和阻尼參數(shù).1.2.1螺栓固定結合面參數(shù)以立柱和床身之間的固定結合面為例，介紹結合面參數(shù)的獲取方法.該結合面的受力包括零部件（立柱,、主軸箱和主軸系統(tǒng)）的重力和螺栓預緊力,，其中重力G約16 180 N.螺栓預緊力F。的計算方法[8〗是：其中,，T是螺栓捍緊力矩,，N.m; if是擰緊力矩系數(shù),；d是螺紋的公稱直徑，mm.查閱加工中心的設計參數(shù),，計算得到凡=551 〇〇〇 N.立柱與床身之間共8個螺栓,，立柱和床身之間結合面承受的總壓力F為：F = 8F〇 + G. (2)貝IJ_F=4.42xl06 N，立柱和床身之間結合面的面積S約為0.19 m2.將F和S帶入數(shù)據(jù)庫,，得到單個螺栓位置的剛度和阻尼如表2所示.采用相同的方法,，得到主軸系統(tǒng)和主軸箱之間單個螺栓位置的剛度和阻尼如表3所示.1.2.2導軌滑塊結合面參數(shù)以工作臺和床鞍之間的導軌滑塊結合面為例，介紹結合面參數(shù)的獲取方法工作臺的重力約4 577N,，4個滑塊與導軌的接觸面積約〇 〇24 8 m2 •將這兩個參數(shù)帶人數(shù)據(jù)庫,，得到單個滑塊位置的剛度和阻尼如表4所示. 表4工作臺和床鞍結合面參數(shù) 參數(shù) 數(shù)值 法向剛度Kn (N/m) 3.27 x10s 切向剛度Kt (N/m) 1.31xl08 法向阻尼Cn (N*s/m) 1.35X105 切向阻尼Ct (N*s/m) 2.93X104 1.3模態(tài)仿真結果 將表1的材料屬性參數(shù)賦予各零件，將第1.2節(jié)的結合面參數(shù)帶人圖1 (b)所示的有限元模型,，將床身與地面之間的接觸面固定約束.仿真得到加工中心的前4階固有頻率分別是40.963 Hz,、64.065 Hz、84.550Hz,、剛.665 Hz,前4階模態(tài)振型如圖2所示? 表5床鞍和床身結合面參數(shù) 參數(shù) 數(shù)值 法向剛度Kn (N/m> 4.04 x10s 切向剛度Kt (N/m) 1.39x10s 法向阻尼Cn (N*s/m) 1.86X105 切向阻尼Ct (N*s/m) 3.16X104 表6主軸箱和立柱結合面參數(shù) 參數(shù) 數(shù)值 法向剛度Kn (N/m) 4.19x10? 切向剛度AMN/m) 1.75x10s 法向阻尼Cn (N*s/m) 1.58x10s 切向阻尼Ct (N*s/m) S.lOxlO4 (a)笫1階??? （b)第2階?? （c)第3階?? （d)第4階 采用相同的方法得到床鞍和床身,、主軸箱和立柱之間單個滑塊位置的結合面參數(shù)，分別如表5和表6所示■圖2模態(tài)振型仿真結果2 立式加工中心模態(tài)性能試驗測試2.1試驗測試系統(tǒng)為了驗證仿真分析的精度,，對加工中心的模態(tài)參數(shù)開展試驗測試•采用單輸入多輸出丨9]的方法,，在整機上共布置541個測試點，測點布置如圖3 (a)所示,；使用力錘在每個位置敲擊3次以減小隨機誤差,，將三向加速度傳感器安裝在加工中心上拾取振動信號，其中立柱上布置3個,，床身,、床鞍、工作臺,、主軸箱上各布置兩個,；使用LMS多通道數(shù)據(jù)采集前端進行數(shù)據(jù)分析和處理•試驗測試系統(tǒng)如圖3 (b)所示. 2.2試驗測試結果 數(shù)據(jù)分析處理后，得到整機前4階固有頻率分別是43.693 Hz,、62.173 Hz,、92.299 Hz、127.224 Hz,前4階阻尼比分別是2.47%,、3.01%,、2.77%、5.21%,，前4階模態(tài)振型如圖4所示. 2.3仿真與試驗結果對比將固有頻率仿真與試驗結果進行對比,，如表7所示.將圖2和圖4的模態(tài)振型對比可知，前兩階模態(tài)振型都是立柱和主軸箱擺動，后兩階模態(tài)振型都是床鞍和工作臺擺動.說明本文的模態(tài)仿真方法合理,、結果準確,，可以用于分析和預測加工中心的模態(tài)性能.3 立式加工中心模態(tài)性能優(yōu)化3.1優(yōu)化方法研究表明，低階的模態(tài)對加工中心的加工精度影響更大[1Q].為了保證加工中心的加工精度,，應適當提高加工中心的低階固有頻率,，加工時也應避免在低階頻率附近切削加工.對于本文的立式加工中心，加工中心的結構決定了低階模態(tài)振型,，因此,，本文以提高低階模態(tài)固有頻率為目標，對加工中心的結構進行優(yōu)化.由于前兩階模態(tài)振型表現(xiàn)為立柱和主軸箱的運動,，而且這兩個零件的尺寸更大,、對模態(tài)影響也更大，因此對這兩個零件的結構進行優(yōu)化.為了減小立柱的振動,，加大立柱底部筋板的尺寸,；為了減小立柱下部的應力集中,，將原來筋板的直角過渡修改為圓角過渡.為了增加主軸箱的剛度,，加大了主軸箱側向筋板的跨度并適當加大了筋板的寬度;為了減小主軸箱的應力集中，將內部筋板的直角過渡修改為圓角過渡.立柱和主軸箱的修改方法分別如圖5 (a)和5 (b)所示.3.2優(yōu)化后加工中心模態(tài)性能仿真由于立柱和主軸箱的質量并沒有發(fā)生太大變化,，因此仍然使用之前的結合面參數(shù).修改加工中心的模型,，并添加材料屬性和結合面參數(shù)，仿真得到優(yōu)化后加工中心的前4階固有頻率,，與優(yōu)化前的仿真結果進行對比,， 4結論(1) 建立了立式加工中心的有限元模型，并重點介紹了螺栓固定結合面和導軌滑塊結合面的建模方法,，仿真得到了加工中心的前4階固有頻率和模態(tài)振型.(2) 試驗測量了加工中心的模態(tài)參數(shù),，并與仿真結果進行了對比.前4階固有頻率的仿真誤差******為I4.59%，模態(tài)振型仿真結果與試驗結果一致,，證明本文的仿真方法合理.(3) 以立柱和主軸箱為對象,，對加工中心的結構進行了優(yōu)化.優(yōu)化后加工中心的前4階固有頻率******提高了5.69%，證明了優(yōu)化方法的有效性.海天精工是一家集銷售,、應用及服務于一體的公司,。產(chǎn)品包括：CNC加工中心、鉆攻中心,、龍門加工中心,、雕銑機、石墨機,、五軸加工中心,、立式加工中心、臥式加工中心等。我們機床的生產(chǎn)工廠設在廣東省寧波市,，目前其生產(chǎn)的加工中心70%出口,，其中出口到歐洲占到50%。我們盡心,、盡力,、盡意的服務！聲明：本站文章均來自網(wǎng)絡,，所有內容不代表本站觀點,，本站不承擔任何法律責任！