數控銑鏜床動態特性研究

王 偉

(齊齊哈爾二機床(集團)有限責任公司設計院，黑龍江 齊齊哈爾 161000)

1 國內數控機床概況

1.1 切削振動的研究現狀

以國內銑鏜床為例，在切削的過程中，當速度達到了一定的數值時，其切削部位的溫度便不會再出現變化，在國際工業制造領域，其機械加工的要求標準還要更高一些，從國內標準的微米級到了納米級，這種銑鏜床的精度是極高的，具有極強的可靠性。在機床進行技術切削加工的過程中，常常會出現振動，振動會導致所加工工件質量出現問題，甚至會導致機床的加工效率下降，國內工匠根據模型分析并從工藝角度進行分析與研究，研制出了球頭銑刀，根據其特性可有效降低在加工時發生的振動。

1.2 機床動態特性的研究簡述

機床在進行加工工件的過程中，其發生的振動不僅會導致機床的加工效率變低，還嚴重地影響了其加工質量，這對于機床的操控者來說是具有很強的危險性，機床一旦因為振動發生意外事故，很容易來不及發現并造成生產事故。

2 球頭銑刀銑削過程的分析

2.1 國際上各類球頭銑刀銑削力的研究分析

20世紀90年末期，我國的學者曾經以切屑負載與切削力之間的相互作用為基礎，對球形銑刀的微分化方法進行相關模型的建立。21世紀初期，我國有關學者基于細長桿銑刀銑削的工作原理，建立了相關的動力學模型。2006年國內學者對機床刀具的變形進行充分分析并展開研究，對切削力模型進行了有力地補充，這為國內機床的銑削力模型打下了堅實的基礎。此外，國外的專家與學者也對機床的球頭銑刀建模展開了充分地研究，在20世紀90年代，國外學者對于理論模型也在不斷地進行求證與建立。

2.2 球頭銑刀銑洗過程的削力分析

在對球頭銑刀銑削進行分析過程中，可以利用對進給速度與銑削的深度進行改變，并進行充分詳實的實驗，在這個過程中分析數據得到銑刀削力的準確數據。在獲取銑削力數值之前，往往會涉及到多個循環數據，需要計算分析的數據量是極為龐大的，因此，可以利用MATLAB語言進行編寫，對求得銑削力的數據寫入計算機軟件，這樣不僅可以更加便捷，也更加準確。在銑削力的求解過程中，我們在掌握相應工件以及道具的詳細參數后，對平均銑削力、切削深度與每齒的進給量參數進行代入，最終求得銑削力模型的系數。

3 銑鏜床模態的特性

3.1 基于ANSYS軟件的模態分析

ANSYS軟件是目前國際上最為高效的CAE軟件之一，它基本可以適應各類工業場景，ANSYS的結構Fenix不僅可以對靜力進行分析，還可以對動力學非線性學進行分析并給出優化后的建議與參考。在對有限元進行分析的過程中，ANSYS有以下2種模塊供模型的處理，一是前處理模塊，此類模塊主要針對模型進行分析參數，實體建模等操作，二是后處理模塊，此類模塊主要針對于計算結果進行處理并回執路徑圖，并可以查看到分析出來的結果與頻率，對其中的函數關系也有著詳細地展示。對于模態分析，ANSYS主要依靠的是線性分析，也就是前處理模塊的處理，在進行分析前，我們需要針對分析前的限制做出如下建設：一是其結構要有常數的剛度與質量，二是要對流體自由度與結構有效果，三是在這個結構內不隨著時間變化而產生其他的變化，四是要沒有任何阻尼。基于此，ANSYS也給出了相應的模態分析方法，分別是阻尼方法、子空間方法、縮減方法與分塊蘭索斯方法等等。

3.2 關于銑鏜床動力學的分析

在銑鏜床固定結合面的建模上，在其動力學的模型基礎上，我們通過其運用模式主要將結合面分成3個不同的種類，分別是運動結合面、固定結合面與半固定結合面。運動結合面是將互相連接的兩個部件進行充分運動的集合面，而固定結合面較為簡單，此類結合面主要是起到固定與支撐作用的，最后一種是半固定結合面，這種結合面有時固定，有時進行運動。基于結合面不同的基礎上，在建立模型前應該將如下操作進行充分納入，一是對于大面積的結合面應將其簡單化構成模型，二是根據其各類條件與數據。三是針對組合類型的平面而言，要根據以上提到的方法進行建模，并相應減少等效連接點。

3.3 基于TX6916銑鏜床有限元的建模

TX6916型號的銑鏜床一般在工業高校內較為常見，因此以這個型號的銑鏜床為例，對其有限元的建模進行詳細分析，TX6919銑鏜床主要由以下幾個主要部分組成，分別是床身、滑座、立柱、主軸箱、鏜軸與滑枕所組成。在進行建立有限元的模型過程中，要充分結合實際情況進行簡化，例如在銑鏜床進行加工部件的過程中，由于會出現各種現實性的問題，因此要做出一定的加設，不可能考慮到所有可能出現的問題，假設如下：一是假設銑鏜床都是相同性材料且分布情況均勻，并在工作過程中保持在良好的彈性階段，二是假設就算發生一定的位移與變形情況，都是極為輕微的，銑鏜床的內部結構較為復雜，一旦出現加大的位移與變形，其結果的質量與工藝離加工的初衷無疑是較為遙遠的，這并不符合試驗的預期思想，且結果也不能作為有限元建模的結果來使用。

3.4 主要部件模態的分析

TX6916銑鏜床由幾大部分所組成，對于其主軸系統需要重點關注，主軸對于整個數控機床來說是極為重要的，因此，要充分保證其精度與強度。良好主軸的動力分析方法有著以下2種，一是有限元法，有限元法的優點在于有著良好的計算精度，能夠適應各種形狀，但缺點是所占用的內存較大，且時間耗費成本較高。另一種則是傳遞矩陣法，這種分析法的優點在于其程序簡單、便于操作，所占用的內存較小，但這些優點卻是以計算精度下降為代價的，一般分析手段還是以有限元法較為普遍。

4 結語

綜上所述，在刀具銑削的過程中，其產生的振動是影響工件質量最為重要的因素之一，機床的加工精度與動態特性是影響機床工作效率的主要原因，因此，我們應該重點對機床進行分析，并對其動態特性展開研究，結合實際情況充分改進機床的結構設計，從真正意義上將國產機床的生產效率提升上去，為我國的工業發展貢獻自己的一份力量。