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機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化和加工特性分析研究現(xiàn)狀
世界上第一臺精工銑床制造于1952年,，隨著制造工藝和計算機(jī)精工技術(shù)的發(fā)展,， 機(jī)床的加工精度不斷被提高。90年代以來,，普通級的精工加工機(jī)床的加工精度己經(jīng)從原 來的10pm提升到5pm,，超精密機(jī)床的加工精度甚至進(jìn)入到納米級水平。盡管機(jī)床的加 工精度達(dá)到了相當(dāng)?shù)乃?，但是機(jī)床加工精度的穩(wěn)定性問題一直是個非常棘手的問題,， 特別是對于批量生產(chǎn)所使用生產(chǎn)線中的機(jī)床來說，機(jī)床的精度穩(wěn)定性至關(guān)重要,。從機(jī)床的誤差源分析（圖1.5)可以看出,，影響機(jī)床精度的因素有很多，最初的結(jié)構(gòu) 設(shè)計,，原材料及其加工和零部件裝配,，關(guān)鍵零部件如進(jìn)給傳動系統(tǒng)滾珠絲杠、直線導(dǎo)軌 包括軸承的傳動誤差（一般由于間隙過大,、剛性不夠引起）,，切削加工過程中的切削參 數(shù)、切削載荷變化,，冷卻,、散熱、潤滑后期維護(hù)等都對機(jī)床的精度有影響作用,。就保證機(jī)床的精度穩(wěn)定性來說,，主要有誤差防止和誤差補(bǔ)償兩種基本方法,。前者屬 于事前預(yù)防型的“硬”技術(shù)，包括在機(jī)床的整個設(shè)計和制造過程中的如機(jī)床各個部件的 結(jié)構(gòu)優(yōu)化,、裝配技術(shù),、制造工藝等，另外控制機(jī)床的工作環(huán)境如冷卻,、潤滑,、配備恒溫 車間等也是防止誤差的途徑。誤差防止技術(shù)是保證機(jī)床精度穩(wěn)定性的基礎(chǔ),，但是隨著精 度的不斷提高,，達(dá)到一定程度后再提髙精度會比較困難，即收獲與付出的性價比會很低,， 這是限制其使用的一個缺點(diǎn)[2],。后者誤差補(bǔ)償方法屬于“軟技術(shù)”，即通過人為的制造 出一種反向誤差來抵消現(xiàn)有誤差,，最終提高零件的加工精度[3],。本文從誤差防止的技術(shù)范疇考慮，由于機(jī)床結(jié)構(gòu)的頻率特性和切削過程中的動態(tài)特 性與機(jī)床的加工性能關(guān)系較為密切,，也是保證機(jī)床加工過程中的精度穩(wěn)定性的基礎(chǔ),。故 選擇機(jī)床機(jī)構(gòu)方面如加工中心的動、靜態(tài)特性分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及加工方面如切削過程 中的穩(wěn)定性保證兩方面來研究加工中心的精度穩(wěn)定性保證技術(shù),。1.3.1機(jī)床結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化為了達(dá)到減少生產(chǎn)費(fèi)用和適應(yīng)實(shí)現(xiàn)多工業(yè)加工需要,，現(xiàn)代機(jī)床都是利用模塊設(shè)計理 念設(shè)計制造的[5]。如下圖所示,，精工加工中心一般由6個模塊組成,，即底座（床身）、 滑體,、工作臺,、立柱、刀庫和一個帶主軸單元的主軸箱,。就像人身體中的骨骼一樣,，機(jī)床結(jié)構(gòu)為其所有部件提供機(jī)械支持，結(jié)構(gòu)的剛度,、阻 尼和配置形式等因素影響著機(jī)床的精度穩(wěn)定性能力[6],。在對機(jī)床進(jìn)行靜動態(tài)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化之前，首先要做的一項(xiàng)工作是機(jī)床系統(tǒng)的建 模,，而要想建立比較準(zhǔn)確的機(jī)床分析模型又要選擇合理的建模方法,。目前國內(nèi)外應(yīng)用比 較廣泛的機(jī)床建模方法主要包括傳遞矩陣法、均質(zhì)梁法、集中參數(shù)法與有限元方法等其中,，隨著計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和計算速度的大幅度提高,，計算有限元分析方法 在機(jī)床的研發(fā)過程中起到越來越大的作用。通過對結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜動態(tài)特性分析,，可以在樣 機(jī)制作前得到一個接近實(shí)際情況的仿真結(jié)果,，預(yù)估機(jī)床結(jié)構(gòu)的特性，分析并改進(jìn)其薄弱 環(huán)節(jié),。同時可以對比多種不同的設(shè)計方案,，節(jié)省人力物力，加快產(chǎn)品設(shè)計周期,。通過結(jié) 構(gòu)優(yōu)化技術(shù),，如拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸優(yōu)化，可以使機(jī)械結(jié)構(gòu)的性能在規(guī)定的約束條件下達(dá)到 一個最優(yōu)值,，為進(jìn)一步的改進(jìn)設(shè)計和樣機(jī)制造提供借鑒和支持。(1)結(jié)構(gòu)靜動態(tài)性能分析機(jī)床的靜動態(tài)分析主要包括靜力分析,、動力學(xué)分析,、熱分析等，其中動態(tài)分析有分 模態(tài)分析,、諧響應(yīng)分析和瞬態(tài)動力學(xué)分析等,。靜力分析[12]通過將機(jī)床加工過程的力轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的靜態(tài)力施加在機(jī)床結(jié)構(gòu)上，來分 析其應(yīng)力和應(yīng)變,。模態(tài)分析是動力學(xué)分析的基礎(chǔ),，在實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計中結(jié)構(gòu)模態(tài)是考 慮比較的因素，通過此分析,，可以獲得對機(jī)床整機(jī)或者其零部件影響比較大的前幾階模 態(tài),，避免機(jī)床在實(shí)際加工中引起整機(jī)或者零部件的振動。諧響應(yīng)分析[15]是通過對所分析 件施加周期性的載荷在查看其動態(tài)響應(yīng)的分析,。_ HermansM等使用運(yùn)行模態(tài)分析方法進(jìn)行了模態(tài)參數(shù)識別,，并對比了自然激勵法、 平衡實(shí)現(xiàn)和直交變值分析法在工業(yè)分析中的應(yīng)用,。劉軍[17]等使用改進(jìn)的錘擊法,，對車身 進(jìn)行了模態(tài)分析，結(jié)果表明試驗(yàn)?zāi)B(tài)的改進(jìn)有一定效果,。(2)結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)根據(jù)不同設(shè)計階段的優(yōu)化需要,，可以將結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)分為四種，尺寸優(yōu)化（圖1.6-a) 的設(shè)計變量是結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù),；形狀優(yōu)化（圖1.6-b)是在結(jié)構(gòu)拓?fù)潢P(guān)系不變的前提下 優(yōu)化結(jié)構(gòu)比如孔等的邊界和幾何形狀,；拓?fù)鋬?yōu)化（圖1.6-c)主要是優(yōu)化材料的分布，屬 于概念設(shè)計的范疇；形貌優(yōu)化主要用于板類結(jié)構(gòu)加強(qiáng)肋的強(qiáng)度優(yōu)化,。在優(yōu)化設(shè)計方面,，Vance[18]等利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，構(gòu)建了機(jī)床的有限元模型,，并進(jìn) 行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化,，為整機(jī)優(yōu)化提供相關(guān)參考。Kang Y[19]等基于靜動態(tài)分析性能對比闡述了 系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的CAE方法,。Kim%等人利用神經(jīng)學(xué)習(xí)方法對機(jī)床主軸系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù) 優(yōu)化,。張學(xué)玲t(yī)21』等利用有限元技術(shù)對機(jī)床的床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。劉漢昕[22]等基于 做的模態(tài)測試，對機(jī)床的關(guān)鍵部件立柱進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。由于筋板在機(jī)床結(jié)構(gòu)中的布置 形式對于機(jī)床的靜動態(tài)性能有相當(dāng)大的影響[23],，陳生華通過對立柱內(nèi)部的筋板進(jìn)行布局 和厚度的優(yōu)化,，研究了兩者對于立柱靜動態(tài)性能的影響。響應(yīng)面法[24]是一種采用實(shí)驗(yàn)設(shè)計理論對指定的設(shè)計點(diǎn)集合進(jìn)行試驗(yàn),，得到目標(biāo)函數(shù) 和約束函數(shù)的響應(yīng)面模型，來預(yù)測非試驗(yàn)點(diǎn)的響應(yīng)值的方法。Wang GG[251等基于拉丁 超立方試驗(yàn),，對自適應(yīng)的響應(yīng)面法進(jìn)行了研究。于海蓮[26\姜衡[27]等分別基于響應(yīng)面方 法,，利用多目標(biāo)遺傳算法對機(jī)床立柱進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計,。1.3.2機(jī)床加工特性分析加工中心主要完成發(fā)動機(jī)缸體的銑面加工和孔加工，表面質(zhì)量要求較高不允許有振 紋產(chǎn)生,，孔的加工對尺寸,、形位等精度要求也較高，因此本文重點(diǎn)就此兩點(diǎn)進(jìn)行分析,。對于制造商和機(jī)床操作師來說,，切削刀具的振動是他們最關(guān)心的問題之一。切削顫 振會嚴(yán)重影響加工質(zhì)量,，降低表面粗糙度,，導(dǎo)致切削振紋的產(chǎn)生（圖1.7)，在一些對 表面質(zhì)量要求較高的加工場合下,，這是必須要避免的,。由于精度的降低、刀具壽命的變 短以及工件的損壞,，顫振還會極大的限制加工效率,。利用主動或者被動的阻尼設(shè)備、選擇合適的主軸旋轉(zhuǎn)速度和切削深度等方法,，可以 有效的抑制顫振的發(fā)生[28],。后者也即通過選擇合適的切削參數(shù)，來避免顫振的發(fā)生，一 般是利用傳統(tǒng)的分析顫振模型,，通過給定刀具-工件組合和切削條件,，繪制穩(wěn)定性葉瓣 圖來顯示出穩(wěn)定區(qū)和非穩(wěn)定區(qū)的邊界線，從而指導(dǎo)切削參數(shù)的選擇,。根據(jù)顫振發(fā)生的不同機(jī)理解釋,，可以將顫振分為三種不同的類型。第一種認(rèn)為顫振 是由于切削過程中刀具與工件之間的摩擦造成的,，即摩擦型顫振[29][3()][31];第二種認(rèn)為由 于模態(tài)耦合效應(yīng)才造成了顫振的發(fā)生[32][33][34];其三認(rèn)為顫振是由于切削過程中的再生效 應(yīng)造成的,。在早期的穩(wěn)定性預(yù)測模型的研究和建立當(dāng)中，Tlusty[32][35],，Tobias%和0Ptiz[37]完成 了一些開創(chuàng)性的工作,。Altintas和Budak[38]針對銑削加工提出了一種兩自由度的顫振分 析模型，并且在頻域范圍內(nèi)解決了一個本征值方程,。這些模型均基于系統(tǒng)動力特性和切 削系數(shù)為常數(shù)值并且時不變的假定,，顯然，在實(shí)際情況中不是這樣的,。再生性顫振是自激振動的多種類型當(dāng)中最普遍的一種,，故這里主要來研究再生型顫 振^ R.S.Hahn[39]首先于1954針對磨削加工提出了振紋再生理論，將其用在銑削加工中 解釋如下：即刀具的振動會導(dǎo)致加工工件上產(chǎn)生振紋,，下一個刀齒切削時會碰到這些振 紋同時自身也會產(chǎn)生振紋，由于這兩種振紋的相位差,，會造成切削厚度&以及切削力的 變化,，當(dāng)辦超過一定水平后，這種再生效應(yīng)就會成為主導(dǎo),，進(jìn)而導(dǎo)致顫振的發(fā)生,。也就 是說切屑厚度的震蕩變化（即切削厚度變化效應(yīng)），導(dǎo)致顫振的發(fā)生,。因此可以通過構(gòu)建切削深度關(guān)于主軸轉(zhuǎn)速的函數(shù),，進(jìn)而繪制圖形來描述切削過程的 穩(wěn)定與否（也就是顫振發(fā)生與否），這種圖形就是穩(wěn)定性葉瓣圖_ (Stability Lobe Diagram, SLD),。如下圖所示：圖中,，曲線下方的區(qū)域如A、C兩點(diǎn)所在位置是理論上的不發(fā)生顫振區(qū),，曲線上方 的區(qū)域如B點(diǎn)是顫振區(qū)域,。由圖可以看出，在高速加工時,，加工阻尼的穩(wěn)定性效果減小 使得加工更易產(chǎn)生顫振,，圖上表現(xiàn)出的是高速時的穩(wěn)定區(qū)域較小。基于時間,、成本和準(zhǔn) 確性的標(biāo)準(zhǔn)下,，利用葉瓣圖可以幫助我們選擇******的參數(shù)。劉安民[41]等研究了在高速統(tǒng)削情況下,，顫振的診斷問題和預(yù)報,。石莉[42]等基于小波 理論，對動態(tài)銑削力進(jìn)行了研究,，并預(yù)報了銑削顫振,。張臣[43辱，通過仿真分析得到的 數(shù)據(jù),，對銑削加工進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化,。在國外，Gagnol^等基于模態(tài)分析對高速主軸進(jìn)行了顫振穩(wěn)定性預(yù)測,。Kivanc[45] 等對端面銑削進(jìn)行了結(jié)構(gòu)建模,，并對成形誤差和穩(wěn)定性進(jìn)行了預(yù)測。SChmitz【46]等利用 統(tǒng)計學(xué)方法,，基于同步聲信號采集,，對顫振進(jìn)行了識別。1.4論文主要完成工作本文基于課題的研究內(nèi)容,，針對MDH80臥式加工中心,，從結(jié)構(gòu)分析優(yōu)化和加工特 性分析兩個大的方面對其研究分析，具體工作如下：(1)加工中心的靜動態(tài)特性分析對臥式加工中心進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和受力分析,，然后結(jié)合實(shí)際工況單獨(dú)對立柱進(jìn)行靜力 分析和有限元模態(tài)分析（包括自由模態(tài)分析和約束模態(tài)分析）,，之后利用錘擊模態(tài)試驗(yàn) 對立柱進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，得出低階模態(tài)固有頻率與有限元自由模態(tài)分析的結(jié)果進(jìn)行對 比分析,。(2)加工中心的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面,，以立柱為典型對其進(jìn)行基于密度法的拓?fù)鋬?yōu)化，得到立柱的三維 概念模型,。構(gòu)建立柱結(jié)構(gòu)內(nèi)筋板參數(shù)化模型,，然后對筋板相關(guān)尺寸進(jìn)行基于響應(yīng)面法的 尺寸優(yōu)化得到具有高剛度和輕量化特點(diǎn)的立柱結(jié)構(gòu)，最后進(jìn)行相關(guān)對比分析,，為結(jié)構(gòu)的 改進(jìn)提供參考,。(3)加工中心的切削穩(wěn)定性技術(shù)針對工序OP100.2所用加工中心的加工內(nèi)容，研究刀具銑削顫振穩(wěn)定域分析葉瓣圖 的構(gòu)建,，對所用銑刀進(jìn)行刀具模態(tài)實(shí)驗(yàn)得到刀具的固有頻率,、剛度和阻尼比?；贒eform 有限元軟件對該銑刀進(jìn)行銑削力仿真實(shí)驗(yàn)得到相應(yīng)的銑削力系數(shù),?；谀B(tài)實(shí)驗(yàn)和銑削 力仿真實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果，構(gòu)建銑削加工的穩(wěn)定域葉瓣圖,，為切削參數(shù)的選擇提供參考,。(4)加工中心的精度穩(wěn)定性評估研究CU分析理論在機(jī)器能力評價中的應(yīng)用，對工序OP100.2的加工中心進(jìn)行Cmk 分析,。連續(xù)加工25個缸體工件,，使用高精度三坐標(biāo)測量儀對相關(guān)加工內(nèi)容進(jìn)行測量， 獲得精度數(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,，得到該加工中心的Cmk值,，來對加工中心的精度穩(wěn)定 性進(jìn)行評估。
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