用模態分析技術對機床動態切削性能的研究

董異誌，王 芳

（1.云南省先進制造技術研究中心，云南 昆明 650031；2.云南省機電一體化應用技術重點實驗室，云南 昆明 650031）

0 引言

由云南機床廠研制的K360A 數控車床，能對黑色金屬、有色金屬、非金屬工件的內外圓柱、圓錐以及其它形式的回轉表面進行粗、精加工。前期對該機床進行切削試驗過程中，發現當夾持長試件在接近尾座端切削時，車床易產生切削顫振，這是影響該車床動態性能提高的主要問題之一。本文提出了模擬實際切削加工工況，對主軸—工件—尾座系統相對刀架系統在接近尾座端時進行正弦寬頻掃描激振下的整機試驗模態分析，并根據模態參數識別結果，對薄弱部件進行有限元模態分析處理，提出結構優化改進措施和方案。

1 建模

為分析機床整機動態特性，需建立機床三維模型，其模型結構參照文獻[1]中圖1 的內容。

圖1 1 階振型圖Fig.1 1 order modal figure

圖2 2 階振型圖Fig.2 2 order modal figure

2 試驗方案

在對機床進行預試驗的基礎上，模擬車床實際切削加工工況，用非接觸式電磁激振器對車床進行激勵。

為減少周期簡諧振動對試驗信號的干擾，突出機床固有特性和模態參數識別精度，在試驗模態分析過程中，主軸不旋轉，試驗裝置和儀器布置圖見文獻[1]中圖3 和圖4。

由機床整機試驗模態振型圖可看出，機床整機的薄弱部件主要是前床腳和后床腳兩個部件，對前、后床腳建模及用有限元進行理論模態分析如圖3 和圖4 所示。

圖3 3 階振型圖Fig.3 3 order modal figure

圖4 前床腳(左)、后床腳(右)幾何模型Fig.4 Geometric model of the lathe's left foot、right foot

3 試驗分析結果

車床系統是多結合面、多運動體的復雜結構體，經試驗得出多階模態參數，詳細對頻響函數實頻圖和和虛頻圖及真假模態識別分析，選出了對車床動態性能影響貢獻最大的四階試驗模態為主要分析對象。

表1 K360A車床主要試驗模態參數Tab.1Themainexperimentalmodalparametersof K360Alathe

表2 K360A車床前后床腳主要理論模態參數Tab.2ThemainmodalparametersoftheK360Alathe's leftandrightfoot

圖5 前床腳(左)、后床腳(右)第1 階振型Fig.5 1 order modal figure of the lathe's left foot and right foot

圖6 前床腳(左)、后床腳(右)第2 階振型Fig.6 2 order modal figure of the lathe's left foot and right foot

根據機床整機試驗模態分析結果，可以得出：

圖7 前床腳(左)、后床腳(右)第3 階振型Fig.7 3 order modal figure of the lathe's left foot and right foot

（1）機床的前、后床腳是機床的薄弱部件，在各階模態振型圖中，都有前、后床腳前、后墻板或是做前后搖擺振動，或是做前后彎曲振動；左、右墻板在各階模態振型圖中或是做左、右搖擺振動，或是做左、右彎曲振動；前、后床腳上支撐板在各階模態振動中均做上、下彎曲振動。

（2）1 階和2 階模態，主軸工件系統做前后擺動；3 階和4 階模態，主軸工件系統做前后彎曲振動。4 階模態中刀架均做前后擺動。1 階模態中，刀架和主軸工件系統擺動相位相反；2 階模態中，刀架和主軸工件系統擺動相位相同。

（3）由于前、后床腳支撐不穩，致使床身、主軸箱、尾座在水平平面內做前后擺動。2 階和4 階模態振型中床身在水平面內做彎曲振動。4 階振型中，主軸箱繞垂直軸做扭轉振動。

4 結束語

結合整機試驗模態和部件理論模態分析，提出以下結構優化修改建議：①前、后床腳理論模態頻率雖與試驗模態頻率不一致，是由于在試驗模態分析中，在前、后床腳上支承板上有較大的質量附重。只要理論模態和試驗模態振型相同，用理論模態分析結果對提高機床的動態切削性能優化設計具有指導意義；②應增強主軸箱與床身的接觸剛度，增加尾座與尾座底板的夾持剛度；③對前、后床腳四周墻板增加相應的加強筋，在開窗的四周邊緣處增加凸臺和筋條，在墻板下端增加一定強度的支撐體和面。

[1]董異誌，劉曉惠，等.用相對激振法對數控車床的實驗模態分析[J].組合機床與自動化加工技術，2011，12.

[2]傅志方，華宏星.模態分析理論與應用(第1 版)[M].上海：上海交通大學出版社，2000.

[3]朱伯芳.有限元法原理與應用(第3 版)[M].北京：中國水利水電出版社：知識產權出版社，2009.

[4]李德葆，等.實驗模態分析及其應用[M].北京：科學出版社，2001.

[5]楊肅，唐恒齡，廖伯瑜.機床動力學[M].北京：機械工業出版社，1983.

[6]張秀輝，胡仁喜，康士廷. ANASYS14.0 有限元分析從入門到精通（第1 版）[M].北京：機械工業出版社，2013.

[7]徐燕申.機械動態設計[M].北京：機械工業出版社，1993.