TX-1600G數控鏜銑加工中心鏜削系統變結構動態特性分析*

舒啟林,王　儒,姚　淵,趙旭寧,祝振林

(1.沈陽理工大學 機械工程學院,沈陽　110159;2.長安大學 汽車學院，西安　710064)

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TX-1600G數控鏜銑加工中心鏜削系統變結構動態特性分析*

舒啟林1,王儒1,姚淵2,趙旭寧1,祝振林1

(1.沈陽理工大學 機械工程學院,沈陽110159;2.長安大學 汽車學院，西安710064)

摘要：針對鏜削系統振動對加工零件精度影響問題，以TX-1600G數控加工中心鏜削系統為研究對象,利用三維建模軟件對鏜削系統進行實體三維建模，并以鏜削主軸進給量和鏜滑臺位置為參數,離散化鏜削系統加工空間,對鏜銑系統典型工作位置進行模態仿真,通過對鏜削系統典型工作位置模態云圖分析，選擇動態特性良好的工作空間進行零件加工，提高零件加工精度，并為加工中心的整體分析優化提供參考參數。

關鍵詞：模態分析；變結構分析；鏜削系統；有限元分析

0引言

隨著工業技術的發展，對產品零件的加工質量要求越來越高的同時也對數控機床的加工效率提出了更高的要求。為了提高數控加工的效率，目前很多加工企業采用高速加工技術。高速加工尤其適用于輕合金和復合材料，由于95%的熱量被切屑帶走，從而使零件熱變形較小，提高加工效率的同時也提高了加工質量。

Mazak公司FF510臥式加工中心采用了直線電機驅動，進給速度60m/min，加速度2g，主軸轉速高達60000r/min，功率80kW。高速加工僅僅提高主軸轉速是不能完成高速切削的，還需要高速進給軸，以減少加工時間和非加工時間。由于機床坐標軸要承受1～5g加速度，要求其具有高剛性以及良好的動態特性[1-2]。對于動態特性研究，哥倫比亞大學學者Y.Altintas首先通過靜態模態錘擊實驗法識別出的數控機床立柱的模態參數。西班牙學者M.Zatarain用有限元方法對立柱移動式銑床進行模態分析采用Nastran和I-deas兩種商用軟件，建立包括床身、立柱、頭架及他們之間的滾動導軌結合部在內的整機模型，并進行了模態分析[3-5]。

機床的動態特性好壞決定了其加工零件時振動的大小，若引起共振不僅會使零件加工質量下降，也可能會使機床產生崩刃現象，使加工過程無法進行下去。

1TX-1600G鏜削系統建模

TX-1600G鏜銑加工中心是以現有的加工中心技術為基礎，以軍用車輛復雜的箱體結構零件為加工對象，通過組合創新和工藝原理性創新相結合，在國家863計劃支持下自行研發的精密復合式鏜銑機床。其主要結構如圖1所示，該加工中心主要由三大系統組成：①銑削加工系統;②鏜削加工系統;③床身與液壓工作轉臺系統。這種結構具有很多優點:①針對大型箱體該加工中心可以在一次夾裝工件的情況下實現對其五個表面進行加工，減小了由于多次夾裝定位引起的誤差，提高工件的加工質量;②可以一次性實現鏜孔、鉆孔、攻絲等復雜的復合式加工工序，提升了加工效率，降低了加工成本。該加工中心的加工對象是鋁合金材料的復雜箱體。

1.床身 2.銑立柱 3.工作轉臺 4.橫梁 5.銑滑臺 6.主軸箱 7.鏜立柱 8.鏜滑臺 9.滑枕

圖1Tx1600G鏜銑加工中心模型

鏜削系統是該加工中心的重要組成部分，主要用于大型復雜箱體側面孔和復雜曲面加工。如圖2所示，該模型運用SolidWorks三維建模軟件建立。鏜削系統的動態特性直接影響鏜削加工的精度。選擇合適的加工位置可以提升加工精度，因此對鏜削系統變結構動態特性分析是十分必要的。

圖2　軟件三維模型

2鏜削系統動態特性分析

TX-1600G鏜銑加工中心在進行鏜削加工時，鏜削系統滑臺的位置和速度是不斷變化的，并且鏜削主軸的轉速變化也會帶來慣性力以及激勵頻率的變化，這些都會對鏜削系統的振動產生影響[6-7]。

由結構動力學相關知識可得，機床鏜削系統的系統動力學方程為：

mx″+cx′+kx=0

(1)

式中m—鏜削系統的質量矩陣；c—鏜削系統的阻尼矩陣；k—鏜削系統的剛度矩陣。

對上式進行模態坐標變換，可求解出鏜削系統的固有頻率和相應的振型[3]。通過模態疊加法則可以得到鏜削系統的動態響應方程為：

(2)

式中：X/P—鏜削系統的動剛度；A(r)—第r階振型；Kr—第r階模態剛度；ωnr—第r階固有頻率；ζr—第r階模態阻尼比。

機床鏜削系統在加工零件過程中鏜削主軸的振動情況是動態變化的，掌握鏜削系統各個加工位置的動態特性是提高機床性能的有效途徑[8]。而且精密加工對孔和曲面加工精度要求極高，它的動態特性直接影響加工的精度和質量，所以了解和掌控銑削系統變結構動態特性是十分有必要的。

3模態分析

3.1模態分析概述

模態是機械結構的固有振動特性，每一個模態具有特定的固有頻率、阻尼比和模態振型。模態參數可以由計算或實驗分析得出，這樣一個計算或實驗分析過程稱為模態分析[9]。由于阻尼比只影響振幅,不影響振動頻率,故本次分析忽略阻尼比。

多自由度系統無阻尼自由振動的運動方程為：

mx″+kx=0

(3)

設該方程的解為:x=Aeiωnt

則

(4)

把式(4)代入式(3)得:

(5)

整理后得：

(6)

3.2模態分析過程

利用Solidworks軟件建立TX-1600G鏜削系統的三維實體模型，并對其進行簡化處理。把處理過的三維模型導入到有限元分析軟件Abaqus中。

定義材料屬性：TX-1600G鏜銑加工中心的立柱、滑臺、以及鏜削主軸箱的材料均為HT300，彈性模量為157GPa,泊松比為0.23，密度為7.532×103kg/m3。

網格劃分：運用abaqus網格劃分工具，選擇C3D10單元類型，完成網格劃分，如圖3所示，共生成119184個節點，72367個單元。

施加約束：為增加計算精度，考慮結合面剛度對模態分析的影響，以彈簧阻尼器模擬結合面剛度，結合面主要包括直線滾子導軌副和滾珠絲杠副，該加工中心選用的直線滾子導軌和滾珠絲杠型號為RA65GMC1B**P43和DFD5020-3C3Z-1590/1871，其剛度數值由NSK精機產品手冊提供,剛度為0.27e9N/m和0.91e9N/m,對銑削系統底部進行固定約束[10]。

圖3　鏜削系統有限元模型

由于振動變形量對一階模態最為敏感，故本次分析只考慮一階模態。以鏜刀刀柄位置最低處為坐標原點，建立工作空間坐標系，如圖4所示。經求解得出其九個典型工作位置一階振型，以下為模態振型圖，如圖5～圖13所示。

圖4　鏜銑系統工作空間坐標系

圖5　x=0，y=0一階模態振型圖

圖6　x=0，y=725一階模態振型圖

圖7　x=0，y=1450一階模態振型圖

圖8　x=725，y=0一階模態振型圖

圖9　x=725，y=725一階模態振型圖

圖10　x=725，y=1450一階模態振型圖

圖11　x=1450，y=0一階模態振型圖

圖12　x=1450，y=725一階模態振型圖

圖13　x=1450，y=1450一階模態振型圖

模態分析結果如表1所示，表明鏜削系統的一階模態振型主要是彎曲以及扭曲，并且得到鏜削系統九個典型工作位置的固有頻率，其一階固有頻率范圍為31.598～42.972Hz。最大位移發生頂部伺服電機和鏜削主軸前端，說明該位置剛度最低，易發生變形。應用MATLAB軟件對所得數據進行擬合，得到變結構模態頻率圖譜和變結構刀柄振動位移圖譜，如圖14、圖15所示，可以更直觀的了解模態的變化，在加工零件時應選擇固有頻率較低處加工位置，并避免在一階固有頻率2.5倍范圍之內工作。

表1　模態分析結果

圖14　變結構模態頻率圖譜

圖15　變結構刀柄振動位移圖譜

4結論

本文通過模態分析獲得對TX-1600G鏜削系統振動最敏感的一階模態振型云圖，并且通過分析振型云圖指出應加強立柱中部和鏜削主軸前端剛度。在此基礎上進行了應用matlab軟件對分析數據進行擬合，得到了一階模態頻率圖譜和刀柄振動位移圖譜，通過圖譜分析可知選擇合適的加工位置可使機床固有頻率最高降低26%，提升加工精度。

通過對加工中心鏜削系統的模態分析，獲得了鏜削系統的動態特性參數，為以后提升加工中心加工性能的方案提供參考。

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(編輯李秀敏)

文章編號：1001-2265(2016)07-0023-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.07.007

收稿日期：2015-08-05；修回日期：2015-09-19

*基金項目：國家863計劃項目(2012AA041303)

作者簡介：舒啟林(1969—)，男，四川彭州人，沈陽理工大學教授,博士研究生，研究方向為先進制造技術，(E-mail)shuqilin@139.com；通訊作者：王儒(1987—)，男，黑龍江綏化人，沈陽理工大學碩士研究生，研究方向為先進數控技術及其應用，(E—mail)011wangyu110@163.com。

中圖分類號：TH122；TG537

文獻標識碼：A

TX-1600G NC Boring and Milling Machining Center Analysis onDynamicCharacteristicsofSystemVariableStructure

SHU Qi-lin1,WANG Ru1, YAO Yuan2,ZHAO Xu-ning1,ZHU Zhen-lin1

(1.CollegeofMechanicalEngineering,ShenyangUniversityofScienceandTechnology,Shenyang110159,China;2.CollegeofAutomobile,Chang'anUniversity,Xi'an710064,China)

Abstract：Aiming at the problem of effects of boring system vibration on machining accuracy,research object of the boring system of TX-1600G NC Machining Center.Using 3D modeling software,the 3D modeling of the boring system is carried out,taking the boring and boring spindle feed slide position parameters,machining space of discrete boring system,mode simulation of typical working position of boring and milling machine,analysis of typical operating position mode cloud image of boring system,select the dynamic characteristics of the work space for parts processing,improve processing accuracy and provide reference parameters for the whole analysis and optimization of machining center.

Key words：modal analysis;variable structure analysis;boring system;finite element analysis