基于動態特性分析的框形箱體切削工藝參數優化

郭召

西安大醫集團股份有限公司 陜西西安 710000

1 序言

一種摩擦輪驅動的旋轉機架如圖1所示，其底部支撐為框形箱體結構。框形箱體頂部安裝4組摩擦輪傳動箱，共同托舉滾筒做旋轉運動。摩擦輪安裝后要求同側摩擦輪同軸，兩側摩擦輪平行。框形箱體頂部安裝結合面的加工精度是保證裝配精度的基礎。

圖1 摩擦輪驅動的旋轉機架

在精密加工過程中切削振動會造成加工精度及表面質量降低，還會加劇刀具磨損[1]。對于大型箱體類零件，采用盤狀多齒刃銑刀加工，切削力會發生周期性變化，加工過程中的激振頻率對箱體加工面的影響不容忽視[2]。本文針對旋轉機架框形箱體支撐結構的頂部安裝結合面加工表面質量不高的問題，對其進行模態分析，識別出振型及模態，并核算不同工藝參數的激振頻率，進行諧響應分析，在此基礎上對切削工藝參數及裝夾方式進行優化，避免了切削振動對加工精度的影響。

2 框形箱體模態分析

對框形箱體三維模型進行簡化，去除不影響分析精度的螺孔、圓角和倒角等特征。將模型導入有限元分析軟件，進行網格劃分，建立的有限元模型如圖2所示，共計30413個單元和87831個節點。

圖2 框形箱體有限元模型

模擬框形箱體在加工過程中的裝夾方式，對箱體底部四角與機床工作臺的固定結合面施加固定約束，對框形箱體進行模態分析，獲取前6階模態。箱體前6階模態信息見表1，前6階模態振型如圖3所示。第1階模態，頻率210.11Hz，箱體在水平面內先收縮后向外膨脹，最大位移1.86mm，發生在箱體中部。第2階模態，頻率210.85Hz，箱體在水平面內前后擺動，最大位移1.83mm，發生在箱體中部。第3階模態，頻率337.68Hz，箱體前端上下擺動，最大位移2.40mm，發生在箱體前端中部。第4階模態，頻率341.6Hz，箱體后端上下擺動，最大位移2.47mm，發生在箱體后端中部。第5階模態，頻率488.64Hz，箱體在水平面內扭擺，最大位移2.24mm，發生在箱體后端。第6階模態，頻率490.58Hz，箱體在水平面內扭擺，最大位移2.22mm，發生在箱體前端。

圖3 框形箱體前6階模態振型

表1 框形箱體的前6階模態

3 切削加工激振頻率及銑削力計算

框形箱體在龍門式加工中心上進行精密銑削加工，主要工序為面銑，采用多刃齒盤狀銑刀。由切削引起的激振頻率f通過式（1）計算，不同切削參數的激振頻率計算見表2。

表2 不同切削參數的激振頻率

式中，n為主軸轉速（刀具轉速）（r/min）；z為銑削刀具切削刃數量（z）。

通過上文的分析，框形箱體自身最低固有頻率為210.11Hz，6刃及8刃齒的盤狀銑刀在低轉速下所產生的激振頻率小于箱體低階固有頻率，隨著轉速提高，激振頻率將進入箱體的固有頻率范圍，有引發共振、導致嚴重切削振動的風險。因此加工時選擇前角為45°的6刃齒盤狀銑刀進行加工，精加工時設定主軸轉速為1000r/min，產生的激振頻率為100Hz。

4 諧響應分析

對框形箱體進行諧響應分析，識別在不同激振頻率及激振力作用下箱體的響應，進一步確定銑削工藝參數選擇的合理性[3]。模擬框形箱體加工過程中的裝夾方式，對底面施加固定約束。箱體頂部安裝結合面由4塊200mm×450mm的共面小平面組成，加工時4個平面一次裝夾，單獨加工。在該面上施加160N銑削力，獲得的頂部平面位移響應曲線如圖4所示。隨著外界載荷頻率的增大，位移響應逐漸增大，在350Hz附近達到最大值；隨后位移響應減小，在375Hz附近位移響應值最小；隨后隨著頻率增加，位移響應逐漸增大。

圖4 銑削過程的位移響應曲線

5 切削工藝參數優化及加工驗證

根據仿真分析，采用6刃齒45°盤狀銑刀對框形底座頂部進行加工，吃刀量0.5mm，進給速度300mm/min，主軸轉速1000r/min。箱體放置在水平調整墊鐵上，找正后用壓板壓緊，將箱體整體固定在龍門銑工作臺上，效果如圖5所示。箱體頂部關鍵結合面加工后平面度精度達到0.062mm，表面粗糙度值Ra為1.6～3.2μm。加工過程中切削噪聲較小，沒有發生明顯的切削振動。

圖5 框形箱體裝夾效果

6 結束語

切削振動是引起零件加工誤差及表面質量缺陷的一個主要原因[4]。通過對框形箱體進行模態分析，辨識其固有頻率及各階振型，在此基礎上選擇避開共振的切削加工參數，可以有效保證加工精度。