2017年5月23日

機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化和加工特性分析研究現(xiàn)狀

世界上第一臺(tái)精工銑床制造于1952年，隨著制造工藝和計(jì)算機(jī)精工技術(shù)的發(fā)展，機(jī)床的加工精度不斷被提高。90年代以來(lái)，普通級(jí)的精工加工機(jī)床的加工精度己經(jīng)從原來(lái)的10pm提升到5pm，超精密機(jī)床的加工精度甚至進(jìn)入到納米級(jí)水平。盡管機(jī)床的加工精度達(dá)到了相當(dāng)?shù)乃剑菣C(jī)床加工精度的穩(wěn)定性問(wèn)題一直是個(gè)非常棘手的問(wèn)題，特別是對(duì)于批量生產(chǎn)所使用生產(chǎn)線中的機(jī)床來(lái)說(shuō)，機(jī)床的精度穩(wěn)定性至關(guān)重要。從機(jī)床的誤差源分析（圖1.5)可以看出，影響機(jī)床精度的因素有很多，最初的結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)，原材料及其加工和零部件裝配，關(guān)鍵零部件如進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)滾珠絲杠、直線導(dǎo)軌包括軸承的傳動(dòng)誤差（一般由于間隙過(guò)大、剛性不夠引起），切削加工過(guò)程中的切削參數(shù)、切削載荷變化，冷卻、散熱、潤(rùn)滑后期維護(hù)等都對(duì)機(jī)床的精度有影響作用。就保證機(jī)床的精度穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)，主要有誤差防止和誤差補(bǔ)償兩種基本方法。前者屬于事前預(yù)防型的“硬”技術(shù)，包括在機(jī)床的整個(gè)設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中的如機(jī)床各個(gè)部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、裝配技術(shù)、制造工藝等，另外控制機(jī)床的工作環(huán)境如冷卻、潤(rùn)滑、配備恒溫車(chē)間等也是防止誤差的途徑。誤差防止技術(shù)是保證機(jī)床精度穩(wěn)定性的基礎(chǔ)，但是隨著精度的不斷提高，達(dá)到一定程度后再提髙精度會(huì)比較困難，即收獲與付出的性?xún)r(jià)比會(huì)很低，這是限制其使用的一個(gè)缺點(diǎn)[2]。后者誤差補(bǔ)償方法屬于“軟技術(shù)”，即通過(guò)人為的制造出一種反向誤差來(lái)抵消現(xiàn)有誤差，最終提高零件的加工精度[3]。本文從誤差防止的技術(shù)范疇考慮，由于機(jī)床結(jié)構(gòu)的頻率特性和切削過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性與機(jī)床的加工性能關(guān)系較為密切，也是保證機(jī)床加工過(guò)程中的精度穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。故選擇機(jī)床機(jī)構(gòu)方面如加工中心的動(dòng)、靜態(tài)特性分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及加工方面如切削過(guò)程中的穩(wěn)定性保證兩方面來(lái)研究加工中心的精度穩(wěn)定性保證技術(shù)。1.3.1機(jī)床結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化為了達(dá)到減少生產(chǎn)費(fèi)用和適應(yīng)實(shí)現(xiàn)多工業(yè)加工需要，現(xiàn)代機(jī)床都是利用模塊設(shè)計(jì)理念設(shè)計(jì)制造的[5]。如下圖所示，精工加工中心一般由6個(gè)模塊組成，即底座（床身）、滑體、工作臺(tái)、立柱、刀庫(kù)和一個(gè)帶主軸單元的主軸箱。就像人身體中的骨骼一樣，機(jī)床結(jié)構(gòu)為其所有部件提供機(jī)械支持，結(jié)構(gòu)的剛度、阻尼和配置形式等因素影響著機(jī)床的精度穩(wěn)定性能力[6]。在對(duì)機(jī)床進(jìn)行靜動(dòng)態(tài)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化之前，首先要做的一項(xiàng)工作是機(jī)床系統(tǒng)的建模，而要想建立比較準(zhǔn)確的機(jī)床分析模型又要選擇合理的建模方法。目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用比較廣泛的機(jī)床建模方法主要包括傳遞矩陣法、均質(zhì)梁法、集中參數(shù)法與有限元方法等其中，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和計(jì)算速度的大幅度提高，計(jì)算有限元分析方法在機(jī)床的研發(fā)過(guò)程中起到越來(lái)越大的作用。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜動(dòng)態(tài)特性分析，可以在樣機(jī)制作前得到一個(gè)接近實(shí)際情況的仿真結(jié)果，預(yù)估機(jī)床結(jié)構(gòu)的特性，分析并改進(jìn)其薄弱環(huán)節(jié)。同時(shí)可以對(duì)比多種不同的設(shè)計(jì)方案，節(jié)省人力物力，加快產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。通過(guò)結(jié) 構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，如拓?fù)鋬?yōu)化和尺寸優(yōu)化，可以使機(jī)械結(jié)構(gòu)的性能在規(guī)定的約束條件下達(dá)到一個(gè)最優(yōu)值，為進(jìn)一步的改進(jìn)設(shè)計(jì)和樣機(jī)制造提供借鑒和支持。(1)結(jié)構(gòu)靜動(dòng)態(tài)性能分析機(jī)床的靜動(dòng)態(tài)分析主要包括靜力分析、動(dòng)力學(xué)分析、熱分析等，其中動(dòng)態(tài)分析有分模態(tài)分析、諧響應(yīng)分析和瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析等。靜力分析[12]通過(guò)將機(jī)床加工過(guò)程的力轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的靜態(tài)力施加在機(jī)床結(jié)構(gòu)上，來(lái)分析其應(yīng)力和應(yīng)變。模態(tài)分析是動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)，在實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)模態(tài)是考慮比較的因素，通過(guò)此分析，可以獲得對(duì)機(jī)床整機(jī)或者其零部件影響比較大的前幾階模態(tài)，避免機(jī)床在實(shí)際加工中引起整機(jī)或者零部件的振動(dòng)。諧響應(yīng)分析[15]是通過(guò)對(duì)所分析件施加周期性的載荷在查看其動(dòng)態(tài)響應(yīng)的分析。_ HermansM等使用運(yùn)行模態(tài)分析方法進(jìn)行了模態(tài)參數(shù)識(shí)別，并對(duì)比了自然激勵(lì)法、平衡實(shí)現(xiàn)和直交變值分析法在工業(yè)分析中的應(yīng)用。劉軍[17]等使用改進(jìn)的錘擊法，對(duì)車(chē)身進(jìn)行了模態(tài)分析，結(jié)果表明試驗(yàn)?zāi)B(tài)的改進(jìn)有一定效果。(2)結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)根據(jù)不同設(shè)計(jì)階段的優(yōu)化需要，可以將結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)分為四種，尺寸優(yōu)化（圖1.6-a) 的設(shè)計(jì)變量是結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)；形狀優(yōu)化（圖1.6-b)是在結(jié)構(gòu)拓?fù)潢P(guān)系不變的前提下優(yōu)化結(jié)構(gòu)比如孔等的邊界和幾何形狀；拓?fù)鋬?yōu)化（圖1.6-c)主要是優(yōu)化材料的分布，屬于概念設(shè)計(jì)的范疇；形貌優(yōu)化主要用于板類(lèi)結(jié)構(gòu)加強(qiáng)肋的強(qiáng)度優(yōu)化。在優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，Vance[18]等利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，構(gòu)建了機(jī)床的有限元模型，并進(jìn) 行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，為整機(jī)優(yōu)化提供相關(guān)參考。Kang Y[19]等基于靜動(dòng)態(tài)分析性能對(duì)比闡述了系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的CAE方法。Kim%等人利用神經(jīng)學(xué)習(xí)方法對(duì)機(jī)床主軸系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù) 優(yōu)化。張學(xué)玲t(yī)21』等利用有限元技術(shù)對(duì)機(jī)床的床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。劉漢昕[22]等基于做的模態(tài)測(cè)試，對(duì)機(jī)床的關(guān)鍵部件立柱進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于筋板在機(jī)床結(jié)構(gòu)中的布置形式對(duì)于機(jī)床的靜動(dòng)態(tài)性能有相當(dāng)大的影響[23]，陳生華通過(guò)對(duì)立柱內(nèi)部的筋板進(jìn)行布局和厚度的優(yōu)化，研究了兩者對(duì)于立柱靜動(dòng)態(tài)性能的影響。響應(yīng)面法[24]是一種采用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)理論對(duì)指定的設(shè)計(jì)點(diǎn)集合進(jìn)行試驗(yàn)，得到目標(biāo)函數(shù) 和約束函數(shù)的響應(yīng)面模型，來(lái)預(yù)測(cè)非試驗(yàn)點(diǎn)的響應(yīng)值的方法。Wang GG[251等基于拉丁超立方試驗(yàn)，對(duì)自適應(yīng)的響應(yīng)面法進(jìn)行了研究。于海蓮[26\姜衡[27]等分別基于響應(yīng)面方法，利用多目標(biāo)遺傳算法對(duì)機(jī)床立柱進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。1.3.2機(jī)床加工特性分析加工中心主要完成發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的銑面加工和孔加工，表面質(zhì)量要求較高不允許有振紋產(chǎn)生，孔的加工對(duì)尺寸、形位等精度要求也較高，因此本文重點(diǎn)就此兩點(diǎn)進(jìn)行分析。對(duì)于制造商和機(jī)床操作師來(lái)說(shuō)，切削刀具的振動(dòng)是他們最關(guān)心的問(wèn)題之一。切削顫振會(huì)嚴(yán)重影響加工質(zhì)量，降低表面粗糙度，導(dǎo)致切削振紋的產(chǎn)生（圖1.7)，在一些對(duì) 表面質(zhì)量要求較高的加工場(chǎng)合下，這是必須要避免的。由于精度的降低、刀具壽命的變短以及工件的損壞，顫振還會(huì)極大的限制加工效率。利用主動(dòng)或者被動(dòng)的阻尼設(shè)備、選擇合適的主軸旋轉(zhuǎn)速度和切削深度等方法，可以有效的抑制顫振的發(fā)生[28]。后者也即通過(guò)選擇合適的切削參數(shù)，來(lái)避免顫振的發(fā)生，一般是利用傳統(tǒng)的分析顫振模型，通過(guò)給定刀具-工件組合和切削條件，繪制穩(wěn)定性葉瓣圖來(lái)顯示出穩(wěn)定區(qū)和非穩(wěn)定區(qū)的邊界線，從而指導(dǎo)切削參數(shù)的選擇。根據(jù)顫振發(fā)生的不同機(jī)理解釋?zhuān)梢詫㈩澱穹譃槿N不同的類(lèi)型。第一種認(rèn)為顫振是由于切削過(guò)程中刀具與工件之間的摩擦造成的，即摩擦型顫振[29][3()][31];第二種認(rèn)為由于模態(tài)耦合效應(yīng)才造成了顫振的發(fā)生[32][33][34];其三認(rèn)為顫振是由于切削過(guò)程中的再生效應(yīng)造成的。在早期的穩(wěn)定性預(yù)測(cè)模型的研究和建立當(dāng)中，Tlusty[32][35]，Tobias%和0Ptiz[37]完成了一些開(kāi)創(chuàng)性的工作。Altintas和Budak[38]針對(duì)銑削加工提出了一種兩自由度的顫振分析模型，并且在頻域范圍內(nèi)解決了一個(gè)本征值方程。這些模型均基于系統(tǒng)動(dòng)力特性和切削系數(shù)為常數(shù)值并且時(shí)不變的假定，顯然，在實(shí)際情況中不是這樣的。再生性顫振是自激振動(dòng)的多種類(lèi)型當(dāng)中最普遍的一種，故這里主要來(lái)研究再生型顫振^ R.S.Hahn[39]首先于1954針對(duì)磨削加工提出了振紋再生理論，將其用在銑削加工中解釋如下：即刀具的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致加工工件上產(chǎn)生振紋，下一個(gè)刀齒切削時(shí)會(huì)碰到這些振紋同時(shí)自身也會(huì)產(chǎn)生振紋，由于這兩種振紋的相位差，會(huì)造成切削厚度&以及切削力的變化，當(dāng)辦超過(guò)一定水平后，這種再生效應(yīng)就會(huì)成為主導(dǎo)，進(jìn)而導(dǎo)致顫振的發(fā)生。也就是說(shuō)切屑厚度的震蕩變化（即切削厚度變化效應(yīng)），導(dǎo)致顫振的發(fā)生。因此可以通過(guò)構(gòu)建切削深度關(guān)于主軸轉(zhuǎn)速的函數(shù)，進(jìn)而繪制圖形來(lái)描述切削過(guò)程的穩(wěn)定與否（也就是顫振發(fā)生與否），這種圖形就是穩(wěn)定性葉瓣圖_ (Stability Lobe Diagram, SLD)。如下圖所示：圖中，曲線下方的區(qū)域如A、C兩點(diǎn)所在位置是理論上的不發(fā)生顫振區(qū)，曲線上方的區(qū)域如B點(diǎn)是顫振區(qū)域。由圖可以看出，在高速加工時(shí)，加工阻尼的穩(wěn)定性效果減小使得加工更易產(chǎn)生顫振，圖上表現(xiàn)出的是高速時(shí)的穩(wěn)定區(qū)域較小。基于時(shí)間、成本和準(zhǔn) 確性的標(biāo)準(zhǔn)下，利用葉瓣圖可以幫助我們選擇******的參數(shù)。劉安民[41]等研究了在高速統(tǒng)削情況下，顫振的診斷問(wèn)題和預(yù)報(bào)。石莉[42]等基于小波理論，對(duì)動(dòng)態(tài)銑削力進(jìn)行了研究，并預(yù)報(bào)了銑削顫振。張臣[43辱，通過(guò)仿真分析得到的數(shù)據(jù)，對(duì)銑削加工進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化。在國(guó)外，Gagnol^等基于模態(tài)分析對(duì)高速主軸進(jìn)行了顫振穩(wěn)定性預(yù)測(cè)。Kivanc[45] 等對(duì)端面銑削進(jìn)行了結(jié)構(gòu)建模，并對(duì)成形誤差和穩(wěn)定性進(jìn)行了預(yù)測(cè)。SChmitz【46]等利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，基于同步聲信號(hào)采集，對(duì)顫振進(jìn)行了識(shí)別。1.4論文主要完成工作本文基于課題的研究?jī)?nèi)容，針對(duì)MDH80臥式加工中心，從結(jié)構(gòu)分析優(yōu)化和加工特性分析兩個(gè)大的方面對(duì)其研究分析，具體工作如下：(1)加工中心的靜動(dòng)態(tài)特性分析對(duì)臥式加工中心進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和受力分析，然后結(jié)合實(shí)際工況單獨(dú)對(duì)立柱進(jìn)行靜力分析和有限元模態(tài)分析（包括自由模態(tài)分析和約束模態(tài)分析），之后利用錘擊模態(tài)試驗(yàn) 對(duì)立柱進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析，得出低階模態(tài)固有頻率與有限元自由模態(tài)分析的結(jié)果進(jìn)行對(duì) 比分析。(2)加工中心的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，以立柱為典型對(duì)其進(jìn)行基于密度法的拓?fù)鋬?yōu)化，得到立柱的三維概念模型。構(gòu)建立柱結(jié)構(gòu)內(nèi)筋板參數(shù)化模型，然后對(duì)筋板相關(guān)尺寸進(jìn)行基于響應(yīng)面法的尺寸優(yōu)化得到具有高剛度和輕量化特點(diǎn)的立柱結(jié)構(gòu)，最后進(jìn)行相關(guān)對(duì)比分析，為結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提供參考。(3)加工中心的切削穩(wěn)定性技術(shù)針對(duì)工序OP100.2所用加工中心的加工內(nèi)容，研究刀具銑削顫振穩(wěn)定域分析葉瓣圖的構(gòu)建，對(duì)所用銑刀進(jìn)行刀具模態(tài)實(shí)驗(yàn)得到刀具的固有頻率、剛度和阻尼比。基于Deform 有限元軟件對(duì)該銑刀進(jìn)行銑削力仿真實(shí)驗(yàn)得到相應(yīng)的銑削力系數(shù)。基于模態(tài)實(shí)驗(yàn)和銑削力仿真實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果，構(gòu)建銑削加工的穩(wěn)定域葉瓣圖，為切削參數(shù)的選擇提供參考。(4)加工中心的精度穩(wěn)定性評(píng)估研究CU分析理論在機(jī)器能力評(píng)價(jià)中的應(yīng)用，對(duì)工序OP100.2的加工中心進(jìn)行Cmk 分析。連續(xù)加工25個(gè)缸體工件，使用高精度三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)相關(guān)加工內(nèi)容進(jìn)行測(cè)量，獲得精度數(shù)據(jù)后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到該加工中心的Cmk值，來(lái)對(duì)加工中心的精度穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)估。

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