發(fā)布時(shí)間：2020-09-03 11:56

　　 機(jī)械加工裝備正朝高速、高效、高可靠性和高精密方向發(fā)展,為滿足越來越高的加工工藝性能要求,其機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)具有優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性顯得尤為重要。本文以CNC 8312A高速凸輪軸磨床為研究對(duì)象,結(jié)合國家863高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目“超高速磨床設(shè)計(jì)和制造中的反問題與優(yōu)化技術(shù)研究”,對(duì)磨床主要部件及整機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了研究分析,并對(duì)高速磨床的床身、主軸、砂輪架底座和主軸箱等主要部件的機(jī)械結(jié)構(gòu)作了合理優(yōu)化與設(shè)計(jì)。論文主要內(nèi)容如下:(1)對(duì)自由狀態(tài)和約束狀態(tài)下的原床身和主軸的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析,找出其薄弱結(jié)構(gòu)并完成了優(yōu)化設(shè)計(jì)。論文探索了床身支撐位置及支撐數(shù)量的變化對(duì)床身動(dòng)態(tài)特性的影響,提出了相對(duì)較好的支撐設(shè)計(jì)方案�；谧咏Y(jié)構(gòu)法,論文探討了不同形式、不同尺寸及不同壁厚的子結(jié)構(gòu)單元對(duì)床身動(dòng)態(tài)特性的影響。基于材料的磨床床身動(dòng)態(tài)特性分析表明,在床身機(jī)械結(jié)構(gòu)相同時(shí)其動(dòng)態(tài)特性與床身材料有關(guān)。論文對(duì)高速磨床床身作了綜合優(yōu)化設(shè)計(jì),使床身動(dòng)態(tài)性能明顯改善。引入靈敏度分析法,以最佳動(dòng)態(tài)特性為目標(biāo)針對(duì)主軸的四個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析,得到了主軸動(dòng)態(tài)特性的最敏感參數(shù)為外伸段長(zhǎng)度和空心直徑。基于45、65Mn、60Si2Mn和40Cr等主軸常用材料,對(duì)相同結(jié)構(gòu)下的磨床主軸進(jìn)行仿真分析表明常用主軸材料對(duì)主軸的低階模態(tài)頻率影響不大但振型位移方面40Cr主軸相對(duì)較小。綜合各方面因素提出了磨床主軸的最優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。(2)開展高速磨床主軸箱、砂輪架底座、進(jìn)給工作臺(tái)的上臺(tái)面和下臺(tái)面等零部件的動(dòng)態(tài)特性分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。針對(duì)床身-工作臺(tái)裝配體,利用MSC.Patran/Nastran有限元分析軟件對(duì)影響組合體動(dòng)態(tài)特性的因素進(jìn)行了探討。針對(duì)砂輪架底座以輕量化為目標(biāo),基于參數(shù)DOE分析,采用L16(4~3)正交實(shí)驗(yàn)方案,作了三因素的直觀分析和回歸分析,得到了設(shè)計(jì)因素與目標(biāo)之間的線性回歸方程,提出了砂輪架底座輕量化設(shè)計(jì)最優(yōu)方案。(3)基于傳遞矩陣法對(duì)高速磨床主軸-砂輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)作了臨界轉(zhuǎn)速分析、穩(wěn)定性分析和不平衡響應(yīng)分析,獲取了轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的低階臨界轉(zhuǎn)速和共振峰值,分析表明轉(zhuǎn)子系統(tǒng)不存在臨界負(fù)荷問題且轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)比較理想。(4)利用基于假想材料的高速磨床導(dǎo)軌結(jié)合部模擬技術(shù)和吉村允孝積分法,得到了高速磨床導(dǎo)軌結(jié)合部和螺栓連接結(jié)合部的等效剛度和阻尼系數(shù),在此基礎(chǔ)上對(duì)原磨床整機(jī)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)特性分析。提出了基于模態(tài)頻率錯(cuò)位法的高速磨床整機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法并驗(yàn)證了該方法的有效性�；谶B接螺栓數(shù)量與直徑對(duì)螺栓固定結(jié)合面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),研究表明適當(dāng)增加連接螺栓直徑或增加連接螺栓的數(shù)量均可以大幅度提高螺栓固定結(jié)合面的剛度和阻尼,有益于提高高速磨床整機(jī)動(dòng)態(tài)性能。提出了基于最小切點(diǎn)位移的高速磨床整機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。(5)采用單點(diǎn)激勵(lì)、多點(diǎn)拾振的單輸入多輸出方法(SIMO法),利用LMS SC-305-UTP動(dòng)態(tài)信號(hào)采集分析系統(tǒng)開展了對(duì)磨床主軸和床身-工作臺(tái)組合體的動(dòng)態(tài)特性分析與測(cè)試,實(shí)驗(yàn)表明本文所建立的有限元模型能比較真實(shí)地反映出高速磨床實(shí)物的動(dòng)態(tài)特性,理論模型具有較好的可靠性。
【學(xué)位單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TG580.2
【部分圖文】：

義子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，已使動(dòng)力學(xué)分析加工裝備研究、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、實(shí)驗(yàn)、鑒速磨床相比其他類型的機(jī)床設(shè)備，是一制造廠家的設(shè)計(jì)和制造手段相對(duì)落后，傳統(tǒng)研究方法一般都是建立在許多假設(shè)造、實(shí)驗(yàn)、改進(jìn)、再制造和再改進(jìn)，最人力、物力、經(jīng)費(fèi)和時(shí)間的實(shí)車試驗(yàn)來目則只能依靠沒有充分科學(xué)分析的經(jīng)驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)磨床結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，本文學(xué)分析與仿真技術(shù)，在概念設(shè)計(jì)階段即免重大設(shè)計(jì)失誤，在磨床樣機(jī)生產(chǎn)和試產(chǎn)和預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。總之，使高速磨床來(圖 1.1)，盡可能減少?zèng)]必要的經(jīng)費(fèi)投

按砂輪線速度 v 的大小可以將磨削加工分為普通磨削(v<45m/s)、高速磨削(45≤v<150m/s)和超高速磨削(v≥150m/s)[11]。相比其他方法，磨削特別是高速和超高速磨削具有效率高、加工精度高、磨削力小、磨削溫度低、砂輪壽命長(zhǎng)、加工表面完整性好、自銳性優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，容易實(shí)現(xiàn)對(duì)難成形材料的精加工。隨著技術(shù)的進(jìn)步、高強(qiáng)度新材料的應(yīng)用以及對(duì)機(jī)械零部件的精度和壽命要求的日益增加，對(duì)磨削加工提出了新要求，尤其是高效高精密磨削裝備的研制問題。在磨削加工領(lǐng)域特別是高速磨削和超高速磨削加工方面，以德國為代表的歐洲引領(lǐng)磨削技術(shù)潮流，日本和美國亦有非常不錯(cuò)的表現(xiàn)[13][14]。引領(lǐng)先進(jìn)現(xiàn)代磨削加工技術(shù)正朝著研發(fā)精密及超精密磨削、使用超硬磨料磨具、高速、高效磨削工藝及磨床自動(dòng)化方向發(fā)展[15]。國外對(duì)高速磨削技術(shù)的研究起步較中國早，上世紀(jì) 30 年代初，德國切削物理學(xué)家 Carl.J.Salomon 在一系列切削實(shí)驗(yàn)后，提出這么一個(gè)假設(shè)“切削過程中切削溫度先隨著切削線速度的增加而增加，但在達(dá)到某一個(gè)峰值后下降，且切削不同材料溫度峰值不一樣”，并發(fā)表了著名的 Salomon 曲線(速度溫度曲線)(圖 1.3)[16]，明示了提高切削速度可以提高材料去除率的假說。

特別是起支撐作用的床身和工作臺(tái)部分及因此研究高速磨床組合機(jī)械結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模對(duì)周期具有很重要的意義。本文采用動(dòng)態(tài)子結(jié)構(gòu)法分別對(duì)各子結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化建模，并通過實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｈ缓笤谝呀⑵鸬恼_的子結(jié)構(gòu)有限元模型的基接起來組成高速磨床整體有限元模型，各結(jié)合部進(jìn)行修正。我們將高速磨床的床身、工作臺(tái)、主結(jié)構(gòu)，對(duì)各個(gè)子結(jié)構(gòu)建模時(shí)又將其拆分為若干個(gè)速磨床機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層次圖如圖 3.2 所示。床身是磨床最笨重的機(jī)械結(jié)構(gòu)，通常設(shè)計(jì)目標(biāo)是撐穩(wěn)定性，床身一般是鑄造箱體結(jié)構(gòu)，其形狀結(jié)模時(shí)，通常忽略掉對(duì)整體模態(tài)影響不大的細(xì)小結(jié)和結(jié)構(gòu)尺寸將床身拆分為導(dǎo)軌、加強(qiáng)隔板和床身本個(gè)獨(dú)立的小結(jié)構(gòu)，對(duì)每個(gè)獨(dú)立結(jié)構(gòu)以其結(jié)構(gòu)尺寸件進(jìn)行參數(shù)化實(shí)體建模，組合起來即是床身的參數(shù)

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本文編號(hào)：2811392