磨削技術(shù)
高速磨床整機(jī)動(dòng)態(tài)特性分析 |
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| 發(fā)布時(shí)間：2020/10/19 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 高速磨床整機(jī)動(dòng)態(tài)特性分析 機(jī)床是機(jī)械制造工業(yè)中最基本的設(shè)備，隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)機(jī)床提出了越來越高的要求，其中最基本的問題就是要提高機(jī)床的工作性能，而機(jī)床的工作性能是與其動(dòng)態(tài)性能緊密相關(guān)的。隨著現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的廣泛應(yīng)用，對(duì)機(jī)床進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析，用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)取代靜態(tài)設(shè)計(jì)已成為現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)發(fā)展的必然趨勢(shì)。 MKQ8312數(shù)控凸輪軸磨床是由多個(gè)零部件組成的復(fù)雜組合結(jié)構(gòu)，僅對(duì)個(gè)別零部件進(jìn)行分析，無法全面反映機(jī)床整體的性能，特別是在動(dòng)態(tài)分析中，各零部件之間結(jié)合部的接觸參數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)性能的解析計(jì)算精度影響很大。因此，要準(zhǔn)確地預(yù)測機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能，就必須對(duì)整機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析。 在進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析的實(shí)際運(yùn)用中，通常采取的方法是將連續(xù)系統(tǒng)離散化為只有有限個(gè)自由度的系統(tǒng)，由此求出連續(xù)系統(tǒng)的近似解。這些離散化的方法中有集中質(zhì)量法、假設(shè)模態(tài)法、模態(tài)綜合法和有限元法。集中質(zhì)量法雖然做法簡單，但如何選取各個(gè)集中點(diǎn)以及如何配置各點(diǎn)的質(zhì)量，才能使所得結(jié)果比較接近于實(shí)際情況，這都需要經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)的啟示，缺乏一般的理論指導(dǎo)。假設(shè)模態(tài)法和模態(tài)綜合法的精度在很大程度上取決于所選擇的結(jié)構(gòu)或子結(jié)構(gòu)的假設(shè)模態(tài)，對(duì)于復(fù)雜結(jié)構(gòu)，這種假設(shè)模態(tài)難以找到，并且對(duì)于不同的結(jié)構(gòu)沒有通用性。而有限元法則是對(duì)每個(gè)單元取假設(shè)模態(tài)，由于單元的數(shù)目通常比較大，假設(shè)模態(tài)就可以取得非常簡單；而且它以節(jié)點(diǎn)位移作為系統(tǒng)的廣義坐標(biāo)，可以降低系統(tǒng)微分方程的耦合程度，給用計(jì)算機(jī)求解帶來方便，所以有限元法已成為分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有效方法和手段。本章通過有限元法針對(duì)整機(jī)建模，結(jié)合整機(jī)機(jī)床的薄弱環(huán)節(jié)提出了一些改進(jìn)意見，并對(duì)改進(jìn)件進(jìn)行了模態(tài)分析，作出評(píng)價(jià)。 這里選擇在uG中建立各零部件的幾何模型，然后用UG的裝配模塊將各零部件裝配為整機(jī)模型，以Parasolid格式導(dǎo)入有限元分析軟件MSC．Patran中劃分網(wǎng)格，設(shè)置結(jié)合面參數(shù)及邊界條件，進(jìn)行模態(tài)分析求解平面磨床的固有特性。 1．機(jī)床整機(jī)有限元模型的建立 建立正確的動(dòng)力學(xué)模型是進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。在結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析中，建立一個(gè)行之有效的模型是至關(guān)重要的。從一定意義上講，模型包含了分析內(nèi)容的所有力學(xué)特性。對(duì)具有復(fù)雜形狀和邊界條件的部件，采用三維有限元法建模是比較理想的。本書采用uG建立三維幾何模型，采用MSC．Patran建立有限元模型。一般情況下，在建模時(shí)需要考慮的問題包括：結(jié)構(gòu)簡化、有限元單元類型的選擇和單元網(wǎng)格的劃分、單元特性的準(zhǔn)備、材料特性的準(zhǔn)備、邊界(和初始)條件及載荷條件的確定等。建模時(shí)還要考慮分析的具體內(nèi)容和精度要求。另外，還要考慮所擁有的結(jié)構(gòu)分析軟件的情況以及計(jì)算機(jī)硬件的情況，這是不言而喻的，有時(shí)這些情況將成為問題的關(guān)鍵所在。這些問題不是孤立的，相互之間是有機(jī)地聯(lián)系在一起的，建模時(shí)要統(tǒng)一考慮。 (1)幾何簡化機(jī)床是二種大型的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，要建立精確完整的動(dòng)力學(xué)模型是很困難的?？紤]到軟硬件的限制及分析的目的與要求，完全按實(shí)物建立有限元模型，實(shí)際上是不必要的，有時(shí)甚至是不可能的。因此，簡化模型是準(zhǔn)備分析模型過程中極為重要的一步。 對(duì)機(jī)床進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)，應(yīng)該在滿足工程精度的要求下，盡量采用簡化的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算。 一般來說，模態(tài)分析條件下機(jī)床簡化的原則有： 1)建模中應(yīng)使零件盡可能的簡單。模型越復(fù)雜，分析占用的資源就越多。在建模時(shí)應(yīng)考慮首先建立較大和較為重要的特征，避免不必要的關(guān)系，進(jìn)而簡化模型。 2)壓縮不會(huì)改變分析模型特性的一些特征，如倒角、小孔、退刀槽、定位孔、螺紋等均按實(shí)體處理。 3)將結(jié)構(gòu)中的小錐度、小曲率曲面進(jìn)行直線化處理，以免在生成有限元模型時(shí)結(jié)合部出現(xiàn)間隙或造成太大的計(jì)算量。 4)盡量利用結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性進(jìn)行建模。 根據(jù)MKQ8312數(shù)控凸輪軸磨床結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并結(jié)合以上模態(tài)分析結(jié)構(gòu)簡化的原則，對(duì)其做如下有限元模型簡化處理。 1)對(duì)床身上的小錐度和小曲率曲面進(jìn)行直線化處理，例如，起模斜度和為流磨削液而設(shè)計(jì)的斜面等，防止在有限元生成時(shí)模型的結(jié)合面出現(xiàn)間隙。 2)對(duì)CAD零部件中的板壁孔洞及凸緣，若孔的尺寸較大，則模型中應(yīng)保留，若孔帕尺寸較小，為便于劃分網(wǎng)格，可在模型中略去這些孔，而其影響可根據(jù)剛度等效原理適當(dāng)減小原孔處單元的厚度，對(duì)一些處于邊緣處的工藝小孔，則忽略不計(jì)；對(duì)凸緣也作類似的處理。 3)去掉工作臺(tái)上工藝腳及防護(hù)罩；由于頭架上的液壓裝置十分復(fù)雜，在此可以簡化成集中質(zhì)量加載在頭架相應(yīng)部位上。 4)對(duì)于各個(gè)零部件上的圓角及螺紋孔、退刀槽等簡化掉，其目的在于避免生成壞的有限元單元和造成太大的計(jì)算工作量。 5)對(duì)主軸和主軸軸承，主軸簡化成空間梁單元；軸承由于結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，不便畫出來，可以用連接彈簧元來模擬。 6)部件間結(jié)合面，都以線性彈簧和阻尼連接元來模擬。對(duì)固定結(jié)合面，一般在固定螺．釘處加連接單元；對(duì)滑動(dòng)結(jié)合面，根據(jù)接觸情況和有限元網(wǎng)格劃分情況，在適當(dāng)位置上加連接單元。 (2)網(wǎng)格劃分機(jī)床整機(jī)的有曝元網(wǎng)格是在MSC．Patran軟件上建立的。首先，在建立機(jī)床豐要零部件的幾何模型基礎(chǔ)上，生成各零部件的有限元網(wǎng)格。然后，對(duì)于床身、工作臺(tái)、頭架、尾座、搖架、墊板、砂輪底座、砂輪架等基礎(chǔ)體采用Patra7n里的體單元進(jìn)行自動(dòng)網(wǎng)格劃分，對(duì)于頭架主軸及砂輪架主軸采用Pa溉n里的梁單元，采用彈簧單元模擬軸承，另外，利用MPC多點(diǎn)約束來模擬各個(gè)零部件間的結(jié)合部，使其剛性連接為一體，便于力的傳遞，這樣就形成了整機(jī)的有限元網(wǎng)格。 1)多點(diǎn)約束(MPC)。多點(diǎn)約束(Multi-Point Constraint，MPC)是對(duì)節(jié)點(diǎn)的一種約束，即將某節(jié)點(diǎn)印依賴自由度定義為其他若干節(jié)點(diǎn)獨(dú)立自由度的函數(shù)。例如，將節(jié)點(diǎn)1的X方向位移定義為節(jié)點(diǎn)2、節(jié)點(diǎn)3、節(jié)點(diǎn)4的X方向位移的函數(shù)。 多點(diǎn)約束常用于表征一些特定的物理現(xiàn)象，比如剛性連接、鉸接、滑動(dòng)等，多點(diǎn)約束也可用于不相容單露靖的載蘅傳遞，是一項(xiàng)重要的有限元授泰。 對(duì)于不同謦勢(shì)拼解籌器和分析類型，Patran支持鶴多患約柬類型是不弼豹。以Nastran為例的結(jié)構(gòu)分析:共有12種類型的多點(diǎn)約束，包括如RBE2、RBE3、Rjoint等。 對(duì)于凸輪軸磨床的整機(jī)模型而言，各個(gè)零部件間采用Rigid這一類型進(jìn)行剛性連接，即將若于個(gè)繁鎖節(jié)點(diǎn)與某個(gè)獨(dú)立節(jié)點(diǎn)相互固定，從而使所節(jié)點(diǎn)由度都與獨(dú)立節(jié)點(diǎn)保持一致。 2)彈簧單元諍彈簧單元是MSC．Patran中的一組特殊單元建一維彈簧單元，通過定義彈簧的彈性常數(shù)、阻尼、單元的節(jié)點(diǎn)自由度等來實(shí)現(xiàn)，彈簧的位置由兩個(gè)節(jié)點(diǎn)定義，彈簧只能承受指定自由度方向剛度的單元，所以在定義彈簧的時(shí)候還必須指定彈簧的自由度方向比如彈簧只能拉壓在x方向。 對(duì)于MKQ8312數(shù)控凸輪軸磨床而言，需要三個(gè)縫努用到彈簧單元栗橫撤軸承，第一個(gè)是頭架主軸。與瓤座之間，第二個(gè)是搖架短軸與其底座之阿，第三個(gè)起砂輪架主軸與砂輪架箱體之間均需要用彈簧單元來模擬軸承。其中彈簧常數(shù)與軸承剛度一致，方向釋放UZ。 以頭架主軸為例(圖8-32)，1處和2處分別由2組角接觸球軸承與其底座連接，鹵此每個(gè)地方需要用兩個(gè)彈簧單元模擬，查表得701l AC/P4DBB型號(hào)軸承的剛度為1.12×10s N/mm，因此彈簧常數(shù)為l.12×105砂輪架主軸采用滑動(dòng)軸承，其軸承剛度為2x10sN/mm，因此彈簧常數(shù)為2x105總的來說，劃分完后的整機(jī)有限元模型包括實(shí)體單元、質(zhì)量單元、彈簧單元和MPC剛性約束，其中實(shí)體單元包含節(jié)點(diǎn)379158個(gè)，單元230058個(gè)。整機(jī)有限元模型如圖8-39所示。 2．整機(jī)有限元分析結(jié)果 整機(jī)有限元網(wǎng)格劃分完后，即對(duì)其施加邊界條件及材料屬性，方法與上章對(duì)床身施加邊界條件一致，邊界條件是約束床身底部的8個(gè)墊鐵，整機(jī)材料為HT200。 在機(jī)床整機(jī)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)中，模態(tài)分析是對(duì)機(jī)床整體動(dòng)態(tài)特性分析和改進(jìn)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。如何從平面磨床這一本身具有無限多個(gè)自由度的質(zhì)量連續(xù)分布的彈性體的固有頻率及對(duì)應(yīng)的振型中，明確地指出對(duì)加工質(zhì)量影響較大的那些振動(dòng)頻率和所對(duì)應(yīng)的振型，就顯得十分重要，表8-14給出了整機(jī)前l(fā)。階的固有頻率。 表8-14 MKQ8312數(shù)控凸輪軸磨床整機(jī)前10階固有頻率 (單位：Hz)
1)床身在整個(gè)模態(tài)中具有比較明顯的彎曲、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。 2)由圖8-40的振型圖可知，頭架和尾座的彎曲扭轉(zhuǎn)極其嚴(yán)重，從而會(huì)導(dǎo)致工件振動(dòng)，影響加工精度，需要加強(qiáng)。    第1階 第2階 第3階    第4階 第5階 第6階    第7階 第8階 第9階  第10階 圖8．40 MKQ8312數(shù)控凸輪軸磨床整機(jī)振型圖 3)頭架主軸的振動(dòng)很明顯，原因是由于軸承剛度不夠，沒連接好，導(dǎo)致主軸上下振動(dòng)。 4)從振型圖(圖8-40)可見，砂輪架也有彎曲振動(dòng)現(xiàn)象，可以適當(dāng)加強(qiáng)砂輪架剛度。 3．整機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究 對(duì)于機(jī)床一類的復(fù)雜機(jī)械設(shè)備，要實(shí)現(xiàn)整機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的真正優(yōu)化是很困難的。因此。一般采用主要部件優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)整機(jī)的集成優(yōu)化。對(duì)主要結(jié)構(gòu)部件的優(yōu)化往往采用多種結(jié)構(gòu)方案的比較優(yōu)選進(jìn)行。但應(yīng)該注意的是，對(duì)各優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)選集成整機(jī)時(shí)，應(yīng)考慮各部件的前幾階模態(tài)頻率的分離，若各主要部件之間的模態(tài)頻率相同或相近，整機(jī)結(jié)構(gòu)的激勵(lì)頻率與部件模態(tài)頻率也相近時(shí)，那么就會(huì)導(dǎo)致整機(jī)受到激勵(lì)時(shí)結(jié)構(gòu)振動(dòng)幅值會(huì)成倍增加。為此，必須選擇相互之間模態(tài)頻率分離的主要裝配部件作為整機(jī)集成的優(yōu)選部件，以使整機(jī)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性得到提高。 在計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)環(huán)境中進(jìn)行機(jī)床部件的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)和部件的模態(tài)頻率修正，并不需要制造物理樣機(jī)或部件，設(shè)計(jì)、計(jì)算和分析過程都在計(jì)算機(jī)中完成。根據(jù)模態(tài)頻率分離原則，通過對(duì)部件結(jié)構(gòu)的反復(fù)設(shè)計(jì)和修改，找出最佳的機(jī)床部件組合，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)床的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。整機(jī)結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率校正可以通過單個(gè)部件的動(dòng)力學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)來調(diào)節(jié)部件結(jié)構(gòu)的模態(tài)頻率，從而使整機(jī)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性提高。 下面嘗試通過改進(jìn)零部件頻率的方法來提高整機(jī)頻率。 由表8-15可知，墊板、頭架、砂輪架的某些頻率梧近。這將使機(jī)床受激勵(lì)后會(huì)發(fā)生大幅度振動(dòng)，最終導(dǎo)致機(jī)床的加工精度大大降低。 表8-15原凸輪軸磨床各主要部件前3階模態(tài)頻率 (單位：Hz)
由于床身的固有頻率與其他各個(gè)零部件的某些頻率不相近，故改進(jìn)時(shí)不作重點(diǎn)考慮，但考慮到整機(jī)振型中床身有彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，可以適當(dāng)改進(jìn)床身結(jié)構(gòu)以提高其剛度。 本著盡量使各個(gè)零部件之間的某些頻率不相近的原則，現(xiàn)對(duì)整機(jī)作如下改進(jìn)： 改進(jìn)A型將床身結(jié)構(gòu)改為上章所述的綜合改進(jìn)型床身(即床身的壁厚及肋板厚度均增加4mm，肋板位置采用b2型，增加的肋板形狀采用c5型(W形肋板，開孔形狀采用圓形)。 改進(jìn)B型將頭架四周開口均縮小原長度的1/10。 由表8-16可知，頭架改進(jìn)后的磨床僅剩下墊板與砂輪架間有相近的模態(tài)頻率。 表8-16改進(jìn)B型磨床各主要部件前3階模態(tài)頻率 (單位：Hz)
由表8-17可知，改進(jìn)C型磨床各個(gè)主要部件間不再存在相近的模態(tài)頻率。建立各個(gè)改進(jìn)型磨床的整機(jī)模型，進(jìn)行模態(tài)分析得到的結(jié)果見表8-18。 表8-17 改進(jìn)C型磨床各主要部件前3階模態(tài)頻率 (單位：Hz)
表8-18 MKQ8312凸輪軸磨床改進(jìn)型固有頻率對(duì)照表 (單位：Hz)
改進(jìn)B型和改進(jìn)C型均是通過使各個(gè)部件前幾階模態(tài)頻率分離的技術(shù)試圖提高整機(jī)固有特性的，由以上計(jì)算結(jié)果表明，采用模態(tài)頻率分離的技術(shù)可以明顯提高整機(jī)固有頻率，比改進(jìn)A型機(jī)床效果更明顯。原型整機(jī)有3個(gè)零部件之間模態(tài)頻率相近，其固有頻率最低；改進(jìn)B型僅有2個(gè)零部件之間模態(tài)頻率相近，其固有頻率居中；改進(jìn)C型無相近模態(tài)頻率，其固有頻率最高。 針對(duì)頭架主軸的振動(dòng)明顯這一薄弱環(huán)節(jié)，頭架主軸軸承剛度參數(shù)對(duì)其固有頻率影響見表 表8-19 頭架主軸軸承剛度參數(shù)對(duì)整機(jī)固有頻率的影響 (單位：Hz)
本文著重對(duì)MKQ8312數(shù)控凸輪軸磨床整機(jī)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性分析及結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究，介紹了在建立整機(jī)有限元模型中的部件簡化、怎樣使兩個(gè)不同的零部件間連接起來(MPC約束)、軸與箱體間的軸承用彈簧單元代替等一些建模技巧。通過對(duì)整機(jī)進(jìn)行摸態(tài)分析，得到其前10階固有頻率及振型圖；并針對(duì)整機(jī)薄弱環(huán)節(jié)采用各個(gè)零部件固有頻率分離和提高軸承剛度兩種方法對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，結(jié)果表明采用使各個(gè)零部件固有頻率分離的方法對(duì)提高其整機(jī)剛度效果很明顯。 但由于整機(jī)動(dòng)態(tài)仿真的關(guān)鍵之一是如何處理各零部件之間的連接剛度和界面阻尼問題，以上軸承剛度僅憑經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)而得，限于測試?yán)щy和時(shí)間限制，這方面工作客觀地存在很大困難；而且對(duì)于不同機(jī)床結(jié)構(gòu)，其剛度阻尼數(shù)據(jù)也不同，這方面的研究工作還值得進(jìn)一步深入研究。 |
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