采用特種聚合物的精密磨床床身動態性能分析

2012-06-02 09:32:08王毅，李娟，宋鹍

重慶理工大學學報(自然科學) 2012年11期

王毅，李娟，宋鹍

(1.重慶理工大學，重慶 400054;2.重慶機械電子技師學院，重慶 400037)

隨著現代科學技術的發展，機械加工正在向著高自動化、高精密化、重切削等方向發展，而加工效率和加工精度是評價機床優劣的重要標志。實際生產中，盡管增大機床功率可以提高機床的金屬切除率，但在增大金屬切除率的同時往往會引起機床振動，使加工質量下降，以致機床性能不能得到充分發揮，振動嚴重時還會產生崩刃打刀現象，使得加工過程無法進行。為此，必須在不斷提高機床自動化程度的同時，盡可能地改善機床的靜態、動態性能和熱穩定性［1］。

由于特種聚合物人造花崗巖具有高阻尼，抗振性好，剛度質量比高，熱穩定性及抗環境干擾特性強等特點，在超精密機床上已得到了一定應用。自1975年瑞士斯圖特(Studer)公司成功地把人造花崗巖材料應用到外圓磨床上后，世界上許多國家(如德國、日本和英國等)也相繼開展了人造花崗巖材料的研究［2］。作為鑄鐵的替代材料，人造花崗巖主要用來制造機床的非運動部件，如床身、立柱和主軸箱等。

1 特種聚合物的基本性能

1.1 特種聚合物靜態力學性能

機床的靜剛度是指機床在靜載荷作用下抵抗變形的能力。制造機床構件材料的靜態力學性能將直接影響機床的靜剛度或靜態特性［3］。根據機床通常所承受載荷的主要形式和研究的實驗條件，本文主要對特種聚合物的抗壓彈性模量、泊松比等進行了實驗研究。

本文所用實驗機為深圳市瑞格爾儀器有限公司制造的RGM－4300型微機控制電子萬能實驗機，采用的實驗壓塊為重慶科菲精密機械有限公司制作的100 mm×100 mm×100 mm的立方體，經測試:受壓彈性模量平均值為3.03×1010Pa，約為鑄鐵彈性模量的1/4;通過貼片方法測量其橫向和縱向應變來計算泊松比，經測試，其泊松比平均值為0.228，與鑄鐵相比略小;密度平均值 ρ=2 311 kg/m3，約為鑄鐵的1/3。

1.2 特種聚合物化學性能

由于在進行加工時磨床床身不可避免地要接觸水和切削液，因此用作磨床床身的特種聚合物也應具有較好的吸水率和耐腐蝕性能。經測試，特種聚合物的綜合吸水率約為0.062%，具有良好的吸水率，同時具有高的防腐蝕性能，有利于保證用該材料制成的機床基礎件的耐用持久性。

1.3 阻尼比

本文所講的阻尼既是指材料的阻尼，又指材料的內摩擦。從原則上講，直接測定阻尼的方法并不是總能實現，因此，可以用阻尼的特征值對材料的阻尼做出評價。作為阻尼的特征值必須有3個條件:能反映阻尼耗損機械振動能量的物理性質;阻尼所表現的各種現象有密切聯系;它的量值是可以測定的，其誤差在工程上是可以接受的。描述阻尼性能的物理量為對數衰減率、損耗因子η和阻尼比ε。η、ε值越大，表示阻尼越大，振幅衰減越快［4］。

2 精密磨床床身結構設計準則

2.1 精密磨床床身的靜剛度

磨床床身的靜剛度是指機床構件在靜態力作用下抵抗變形的能力。一般說來靜剛度越好，相應的動剛度也會越好。因此合理設計機床床身結構，提高其靜剛度，對獲得良好的機床性能非常重要［6］。

2.2 精密磨床床身的動態特性

振動特性指彈性系統在激振力作用下，其振幅和相位隨激振頻率變化的特性。判斷振動特性的主要指標有頻率和固有頻率、阻尼比、動剛度或動態柔度、當量靜剛度等。

1)頻率f和固有頻率ω0。固有頻率ω0只取決于彈性系統的靜剛度K和質量m，而與振動的初始條件無關。靜剛度K和質量m是彈性系統本身的固有特性，所以這一重要的物理量稱為固有頻率。

2)阻尼比ξ。阻尼作用除了取決于阻尼比的大小之外，還與系統的固有頻率ω0成正比。

3)動剛度Kd。提高系統的靜剛度，增大系統中的阻尼比，提高系統的固有頻率使之遠離激振頻率，都可以提高結構的動剛度。

3 床身的模態分析

3.1 模型的建立

將Pro/e中建好的模型導入ANSYS，導入ANSYS后床身模型的初始狀態如圖1所示。

圖1 導入ANSYS后床身模型的初始狀態

選擇床身的單元類型為ANSYS提供的SOLID 92，分別定義2種材料。2種材料的主要性能參數如表1所示。

采用智能網格劃分，選擇7級精度，即設置單元尺寸等級為7，對所有實體一次劃分網格。網格劃分完成后共包含192 855個節點和102 544個單元。根據床身的固定條件，在4顆地腳螺釘處施加x、y、z三個方向的約束。劃分網格并施加約束后的圖形如圖2所示，至此有限元模型建立完畢。

圖2 床身有限元模型

3.2 對2種材料床身的模態分析

由于機床的床身是一個連續體，應具有無窮多個自由度，也應該有無窮多個模態。事實上，由于激振頻率一般不是很高，因而只有低階模態的固有頻率才有可能與激振率重合或接近，高階模態的固有頻率對加工質量的影響不大，所以為了對比鑄鐵床身和特種聚合物床身的動態性能，計算2種不同材料在相同床身結構下的前5階固有頻率以及相應的振型。鑄鐵床身固有頻率如圖3所示。特種聚合物床身固有頻率如圖4所示。