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2016-11-03 by:CAE仿真在線 來源:互聯(lián)網(wǎng)
高速立式加工中心工作臺抗振特性及減振研究
高速機(jī)床作為一種能提供高轉(zhuǎn)速、高進(jìn)給速度、并且能獲得高的表面加工質(zhì)量、加工精度的機(jī)床, 不但要求各部件能滿足剛度設(shè)計而且要求高速切削時具有良好的抗振性能。而工作臺作為高速立式加工中心的重要基礎(chǔ)件,它的抗振性能將直接影響到加工中心的加工精度及穩(wěn)定性。因此,對機(jī)床工作臺的振動特性進(jìn)行研究就顯得尤為重要。
1 工作臺系統(tǒng)的實(shí)體建模
DVG850立式加工中心的工作臺系統(tǒng)主要由工作臺主體、導(dǎo)軌、絲杠母座和絲杠組成,根據(jù)現(xiàn)代設(shè)計方法和經(jīng)驗(yàn),文中利用Solidworks軟件設(shè)計出了3種不同結(jié)構(gòu)的工作臺方案?？紤]到一些細(xì)小結(jié)構(gòu)對工作臺系統(tǒng)整體的性能影響很小,由圣維南原理,對工作臺系統(tǒng)的局部結(jié)構(gòu)如螺釘孔、倒角、凸臺等做了適當(dāng)?shù)暮喕幚怼?
方案1:復(fù)合筋板工作臺
此結(jié)構(gòu)是在工作臺內(nèi)分布著十字交叉和斜向交叉的加強(qiáng)筋,加強(qiáng)筋分布密度較大,并在各個加強(qiáng)筋上分別開有不同大小的矩形槽孔,此種結(jié)構(gòu)也是目前應(yīng)用最普遍的形式之一,裝配后的工作臺系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
方案2:桁架結(jié)構(gòu)工作臺
空間桁架結(jié)構(gòu)是一種常見的多孔金屬材料結(jié)構(gòu),具有重量輕、強(qiáng)度高、抗振性好等特點(diǎn)。本文借鑒金剛石晶體結(jié)構(gòu)建立了金剛石桁架結(jié)構(gòu)單體(其中桁架單體模型的桿長均為40mm,桿直徑為16mm,相鄰桿夾角為109°28′),如圖2a所示。并通過單體陣列和裝配建立了桁架結(jié)構(gòu)工作臺系統(tǒng)模型,如圖2b所示。
方案3:蜂窩結(jié)構(gòu)工作臺
蜂窩結(jié)構(gòu)源于仿生學(xué)。常見的蜂窩結(jié)構(gòu)有三角形、六邊形、菱形和加強(qiáng)帶六邊形等形式。文中采用六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)(其中六邊形邊長為30mm,壁厚5mm,拉伸高度為100mm),并結(jié)合工作臺外殼的尺寸設(shè)計出蜂窩結(jié)構(gòu)工作臺系統(tǒng)的裝配模型,其結(jié)構(gòu)如圖3b。
2 工作臺系統(tǒng)的諧響應(yīng)分析
2.1 有限元模型的建立及加載
利用Solidworks軟件完成工作臺系統(tǒng)的實(shí)體建模后,通過ANSYS Workbench與其他CAD軟件很好的無縫連接性,將工作臺模型導(dǎo)入到Workbench中進(jìn)行分析。先對導(dǎo)入的工作臺系統(tǒng)添加材料,其各零件的材料屬性如表1所示,然后進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由于工作臺模型比較復(fù)雜,采用自由劃分網(wǎng)格的形式。滑塊是通過螺母固定在工作臺上,故定義滑塊和工作臺的接觸面為綁定接觸。滑塊和導(dǎo)軌接觸面及絲杠和絲杠母座接觸面均定義為不分離接觸。定義工作臺兩根導(dǎo)軌為固定約束,對絲杠施加圓柱約束。此加工中心的進(jìn)給速度可達(dá)60m/min,故切削深度比常規(guī)切削要小得多,一般為0.3~0.6mm,精加工時不超過0.2mm,產(chǎn)生的切削激振力不會很大,故給工作臺添加大小為100N的三向遠(yuǎn)程載荷來模擬實(shí)際簡諧力。
2.2 諧響應(yīng)結(jié)果分析
諧響應(yīng)分析是給系統(tǒng)一個按簡諧規(guī)律變化的載荷,分析系統(tǒng)受簡諧載荷時的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)情況,當(dāng)激勵的頻率和系統(tǒng)固有頻率吻合時,系統(tǒng)發(fā)生共振,此時系統(tǒng)響應(yīng)達(dá)到最大,實(shí)際中應(yīng)盡量避免這種情況發(fā)生。此高速加工中心主軸轉(zhuǎn)速最高可達(dá)20000r/min,設(shè)銑削刀具齒數(shù)Z=3,則每分鐘刀具對工件產(chǎn)生60000次激振,換算成激振頻率為1000Hz。故進(jìn)行諧響應(yīng)分析時,在0~1000Hz頻率范圍內(nèi)設(shè)置100步,根據(jù)分析結(jié)果提取工作臺系統(tǒng)X、Y、Z三個方向的位移數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)代入式(1)中,繪制出工作臺系統(tǒng)的頻率-振幅曲線,如圖4~6所示。
需要說明的是:由于分析過程中沒有將結(jié)構(gòu)的阻尼特性考慮進(jìn)去,結(jié)合部的接觸按剛性接觸處理,這就會對分析的結(jié)果帶來一定影響,造成諧響應(yīng)計算的振幅比實(shí)際值偏大且對應(yīng)的固有頻率也會有偏移。
從圖4可看出,復(fù)合筋板工作臺系統(tǒng)在三向簡諧力作用下,振幅出現(xiàn)了6個明顯峰值,對應(yīng)的固有頻率值依次為450Hz、580Hz、600Hz、710Hz、810Hz、880Hz附近;而此種高速立式加工中心在實(shí)際銑削過程中產(chǎn)生的激振力頻率包含在0~1000Hz頻率范圍,在這個頻率范圍內(nèi)由三向簡諧力產(chǎn)生的激振頻率就很容易和加工中心的固有頻率吻合從而引發(fā)共振現(xiàn)象;從圖5可看出,在相同的三向簡諧力作用下,桁架結(jié)構(gòu)工作臺的振幅只有3處出現(xiàn)了明顯峰值,在這些峰值點(diǎn)對應(yīng)的幅值均比復(fù)合筋板工作臺減小了很多,且桁架結(jié)構(gòu)工作臺的整體綜合位移量也有所減小,尤其580Hz頻率以前曲線中綜合位移量明顯要小很多;從圖6可看出,蜂窩結(jié)構(gòu)工作臺的響應(yīng)曲線也出現(xiàn)了3個峰值,但其綜合位移量(振幅)比前兩種工作臺都減小了很多,而且最后一個峰值點(diǎn)對應(yīng)的固有頻率也都比前兩種工作臺有所提高。綜上分析結(jié)果表明蜂窩結(jié)構(gòu)工作臺的抗振性能最好,但仍有共振點(diǎn)的出現(xiàn)。
3 工作臺系統(tǒng)減振設(shè)計
減振就是在振動主系統(tǒng)上附加特殊的子系統(tǒng),以轉(zhuǎn)移或消耗主系統(tǒng)的振動能量,從而抑制主系統(tǒng)的振動。常見的減振方法有動力減振和阻尼減振,本文采用阻尼減振的方法對工作臺系統(tǒng)進(jìn)行減振設(shè)計。
3.1 減振模型的建立
無限自由度模型中的任一自由度方向上的減振力學(xué)模型都可以用圖7的單自由度模型來表示,在模型中使用質(zhì)量塊和彈簧阻尼結(jié)構(gòu)。對于該力學(xué)模型當(dāng)K取值較小,阻尼系數(shù)C值較大時,系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)化到模型中質(zhì)量塊的能量就很少,大多數(shù)能量會被阻尼消耗,因此可以通過設(shè)定合適的K值和C值將此模型等效為阻尼減振模型。
3.2 阻尼減振的數(shù)值分析
目前沒有能夠模擬顆粒阻尼減振的分析軟件,所以在ANSYS Workbench軟件中采用彈簧和質(zhì)量塊相結(jié)合的辦法,通過設(shè)定合理的K值和C值來模擬實(shí)際中顆粒阻尼減振的減振效果。蜂窩結(jié)構(gòu)工作臺有很多六棱柱空腔,可以用來存放質(zhì)量塊,質(zhì)量塊作為阻尼減振顆粒質(zhì)量較小,每個質(zhì)量塊的質(zhì)量僅為0.2kg,在圖8所示位置放置8個質(zhì)量塊。每個正六邊形質(zhì)量塊的6個側(cè)面和上下兩個表面通過8根彈簧和蜂窩單元相連接,并對其設(shè)置合理的剛度和阻尼值,建立的等效阻尼減振單體模型,如圖9。
運(yùn)用同樣的方法對加入彈簧和質(zhì)量塊的蜂窩結(jié)構(gòu)工作臺系統(tǒng)進(jìn)行諧響應(yīng)分析,并對計算出的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,得出蜂窩結(jié)構(gòu)工作臺減振前、后的頻率-振幅曲線,如圖10所示。從中可以看出,蜂窩結(jié)構(gòu)工作臺采用等效阻尼減振前、后的頻率-振幅曲線基本一致,但是在3個共振點(diǎn)附近,減振后的蜂窩結(jié)構(gòu)工作臺的綜合位移量(振幅)都有所減小,尤其在第3個共振點(diǎn)處振幅減小尤為明顯,這說明了本文采用的阻尼減振方法能夠在一定程度上吸收蜂窩結(jié)構(gòu)工作臺的振動能量,從而提高了工作臺的抗振性能。
4 結(jié)語
利用Solidworks軟件設(shè)計了3種不同結(jié)構(gòu)的加工中心工作臺(復(fù)合筋板工作臺、桁架結(jié)構(gòu)工作臺和蜂窩結(jié)構(gòu)工作臺),并分別對3種工作臺進(jìn)行了諧響應(yīng)分析,得出了蜂窩結(jié)構(gòu)工作臺系統(tǒng)具有很好的抗振動特性,并應(yīng)用等效阻尼減振的方法對該結(jié)構(gòu)工作臺進(jìn)行了減振設(shè)計和數(shù)值分析,分析結(jié)果表明此減振方法能在一定程度上提高蜂窩結(jié)構(gòu)工作臺的抗振性,為今后高速立式加工中心的研究和發(fā)展提供了理論依據(jù)。
作者:高東強(qiáng)
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