機床動態特性研究與優化

劉翠煜， 鐘建琳

（北京信息科技大學 機電工程學院，北京 100192）

0 引言

加工精度是金屬切削加工中評價零件是否合格的重要指標。機床的動態性能對其加工精度和加工效率都有直接的影響。性能不足往往會導致關鍵部件加工過程中產生變形，引起機床振動，導致切削不穩定，直接影響產品的加工質量和生產安全，尤其是在高速切削加工過程中，機床各結構部件必須具有良好的動態特性。

1 機床動態特性研究內容及方法

機床性能在很大程度上取決于其動靜態特性，它直接決定了加工中心強度、剛度、動態性能、加工穩定性和精度等性能指標。

機床的動態特性是指機床系統在振動狀態下的特性，即機床在一定激振力下振幅和相位隨激振頻率而變化的特性［1］。

機床動態特性的研究主要涉及機床的4個方面：1）機床本體結構的動態性能分析；2）機床傳動部件的動態性能分析；3）機床結合部面的動態性能分析；4）機床旋轉部件的動態性能分析。隨著資源化和綠色化理念的不斷深入，以及用戶的迫切性需求，現階段使用最為廣泛的分析方法是模態試驗與動力學仿真相結合的方法，能夠有效地實現機床性能的優化。

2 機床薄弱環節的研究與優化設計

機床是由床身、立柱、主軸箱和主軸等關鍵部件以及其它零部件組成的一個復雜整體，零部件的動態特性直接決定了整機的性能。因此，提高薄弱環節零部件的性能可以有效地提高機床整體性能。目前研究的主要方向是通過設計優化，改變機床零部件的結構或尺寸以達到增大剛度提高其固有頻率，或利用阻尼器增大系統阻尼的目的。

顫振的出現是機械系統動態特性不足的明顯表現，減少加工中的顫振現象可有效地改善刀具與工件間的位置關系，減小工件變形，提高工件的加工質量。D.eaBarrenetx等［2］提出了CWSV方法，可避免不同機加工過程中的顫振不穩定性；Janez Gradisek等［3］提出基于信息熵和CIR指標的顫振檢測方法；L.Andolfatto［4］等則研究了機床動態誤差的來源。

立柱和橫梁是支撐刀具運動的主要承載部件，刀具運動導致立柱和橫梁受力變化，剛度不足的情況下會導致變形?？捣降龋?］重點分析了機床立柱的動態特性，選擇用封閉式三角形的加強筋形式的內側加強筋立柱，確保機床具有穩定、強韌的基礎；孫明楠等［6］采用基于Armijo搜索準則的擬牛頓BFGS算法對結合部動力學參數進行優化計算，以優化其各階模態頻率和阻尼比；趙海霞等［7］在立柱外形尺寸不變的條件下，對立柱內部筋板結構和布局作相應修改，并在立柱內部設計了斜支撐形式的筋板；李明等［8］認為橫梁及其上滑枕是主要的薄弱環節，通過在橫梁內部增加豎筋，減少滑枕兩側圓孔提高其剛度；趙海霞等［7］為提高橫梁抗扭剛度，采用對角筋板抗扭理論，將橫梁內部的縱向的筋板改為了雙X型，筋板布置角應盡量與水平面成45°和135°；另外，為加強x、y平面方向上的彎曲剛度，在橫梁內部設計了一對斜支撐形式的筋板。

研究表明，機床振動的60%來自于結合面，機床靜剛度的30%～50%以及阻尼的90%以上均取決于結合面。目前，國內外針對結合面的研究集中于建立其理論等效模型以期獲得更符合需求的聯結性能。Sun-Min Kim、F Orynski等［9］提出了通過彈簧阻尼單元模擬結合面的經典方法；黃玉美、張學良等［10］提出了用 8節點單元模擬結合面；田紅亮［11］提出一種可直接計算虛擬材料參數的方法，該方法根據連接面的一些參數直接計算虛擬材料的彈性模量、泊松比和密度，從而進行動力學仿真；王書亭等［12］分形接觸M-B模型，并建立了描述結合面特性的虛擬材料模型；李奎等［13］則從研究機床結合面參數入手進行研究。

同時，機床的床身承載了機床的所有運動部件，也是決定機床剛度的重要環節。針對床身的研究主要是為了保證加工穩定性。蘭州理工大學的Wang Fu qiang等［14］則對數控機床床身的動態特性進行了研究；魏建中等［15］提出提高機床床身的剛性、加固地基基礎，以減少動態特性對銑削力的影響。

此外，部分學者還對機床的夾具進行了研究和改進。Hui Yun Hwang等［16］為提高組合機床夾持部位的剪切性能，提出需嵌入金屬芯或套筒以提高固有頻率和阻尼。Armillotata等［17］提出一種方法,通過一組普遍的夾具結構幾何誤差參數,進行運動分析和誤差分析。

3 總結與展望

國內開展機床動態特性的研究幾十年，取得了顯著的成績，研究理論及方法已基本成熟。但在行業內至今還沒有一個針對機床整體進行動態特性研究的評價驗收標準或者規范。

總結現狀，未來的研究方向主要集中于以下幾點：

1）開闊研究思路。目前的研究更多的是基于用戶需求，這些需求往往比較容易解決，而對于需求外的研究卻較少。

2）深入研究。當前研究的重點仍是機床的模態、阻尼比和動剛度等，機床結構動態精度才是機床動態特性分析的重點，卻很少有研究涉及其深度。

3）增強資源的共享和交互性。目前機床動態參數庫還不完善，無法很好地實現資源的共享和利用。

4）構建行業內針對特定部件或機床整體進行動態特性研究的評價驗收標準或者規范。

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［4］ ANDOLFATTO L，LAVERNHE S，MAYER J R R.Evaluation of servo，geometric and dynamic error sources on five-axis high-speed machine tool ［J］.International Journal of Machine Tools and Manufacture ，2011，51（10-11）：787-796.

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