基于動力學測試的某立式加工中心動態性能優化

朱鐵軍　周帥

摘要：機床切削能力的高低在很大程度上受動態性能的影響。本文以某立式加工中心的動力學測試結果為依據，對其進行結構分析和結構優化。在優化前后分別對機床進行了測試，測試結果表明優化效果十分明顯，這證明了以動力學測試為依據對機床進行結構優化是可行的。

關鍵詞：立式加工中心;動力學測試; 結構優化;動態性能

前言

機床的動態性能直接決定了機床的加工能力[1]，因此對機床動態性能進行優化是提高機床加工效率與加工質量的重要手段。本文以某立式加工中心為例，以其動力學測試的結果為依據，在測試的結果基礎上定位機床的薄弱環節并進行結構改進，并在改進后重新生產樣機進行切削振動和模態測試的對標試驗以驗證性能優化的效果。

1機床性能優化前的動力學測試

在結構優化前，對機床進行了一系列的動力學測試，測試項目包括主軸空轉振動測試、機床部件的自由模態測試、機床整體模態測試和動剛度測試。

主要測試結果如下：

1）主軸空轉振動測試：20000rpm以內，機床的空轉振動不大，最大值不超過1.5mm/s，共振轉速為10000rpm和14000rpm，不存在動平衡/不對心/組件松動等問題;

2）模態測試：500hz帶寬內整機存在12模態，主軸箱3階，工作臺2階，立柱只有1階模態。觀察模態振型可知，300hz以下時，主軸箱為主要振動部件;300hz到500hz時，工作臺為主要振動部件;500hz以上時，床身開始振動;

3）動剛度測試：機床各部件中，工作臺的動柔度最高，達到了0.14e-6m/N，該值明顯偏高;動柔度第二高的部件為床身，數值為0.06e-6m/N，該值比較正常。

2機床結構改進

通過對測試結果的分析，該立式加工中心結構改進的主要著眼點為避開10000轉和14000轉的共振、增加工作臺動剛度，以及減小主軸箱、工作臺的振動?？紤]到固有頻率是物體本身的固有屬性，主要受質量和結構的影響，因此做出如下改進方案：

4）適當減小工作臺和主軸箱的尺寸以提高工作臺的固有頻率，并避開電機在10000轉時的共振;

5）改變工作臺和主軸箱里面筋板的尺寸和形狀;

6）在主軸箱內增加鑄造砂孔;

7）增加主軸箱、工作臺分別與導軌的接觸面積，并適當增加約束，目的是以減小主軸箱和立柱結合面以及工作臺和滑鞍結合面的相對移動并提高動剛度[2];

8）立柱固有頻率很高，相對來說不存在動態性能問題，從節約成本的角度考慮，可以適當減小其體積，體積的減小也等同機床總質量的降低，這也有助于提高機床的動剛度;

9）增加地腳數量[3]。將四地腳改為六地腳，以提高機床支撐剛度。

3測試與驗證

機床進行結構改型后，重新生產了一臺樣機，對樣機作模態測試和切削振動測試以驗證動態性能是否得到優化。結構優化后的測試現場見圖1，整機模態測試的結果如表1。

從測試結果來看，優化后整機模態的各階頻率有明顯提升。為進一步確認優化成果，對機床進行了切削振動的對標測試。

切削振動測試數據較多，這里僅列出主軸鼻端10000rpm和14000rpm的測試數據，結構優化前后的振動數據分別如圖3和4所示。

從測試結果可以看出，切削振動值有明顯的下降，機床結構優化效果顯著。

4.結論

本文基于動力學測試對某立式加工中心進行動態性能優化，并進行模態和切削振動的對標測試。從測試的結果來看，提升了整機的固有頻率并減小了振動，優化效果顯著，這證明通過該方式提高機床的動態性能是可行的。

參考文獻

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

[2] 宋德文.如何提高機床結構的動剛度[J].安徽機電學院學報，2001，16（3）：62-65.

[3] 周雪鋼，趙峰，馬曉波等. 基于模態測試的機床動態性能優化[J]. 機床與液壓，2013，41（23）：24-27.