数控镗铣加工中心镗削系统变结构动态特性探究

数控镗铣加工中心镗削系统变结构动态特性探究

马康康、李江鑫、张伟伟、许慧东、马骏

山西清华装备有限责任公司 

摘要：针对镗削系统对于零件加工精度所造成影响这一问题，本文主要以TX-1600G数控加工中心镗削系统为例，通过运营三维建模简历镗削系统实体模型，同时将其主轴进给量与滑台位置作为基础参数，对镗削系统加工空间进行离散的同时，对其典型工作位置和模态加以分析，以期为加工中心整体分析与优化提供有效参考。

关键词：模态分析；变结构分析；镗削系统

引言：伴随工业技术不断发展，各行各业对于零件加工质量提出更高要求，这促使数控机床加工效率面对全新挑战。若想促使数控加工效率得到有效提升，现阶段，诸多加工企业开始使用高速加工技术，这一技术尤其在轻合金复合材料当中最为实用，能够通过高度热量带走被切屑，从而令零件热变形出现计量降低，在促进加工效率的同时，也令加工质量大幅度提升。

1镗削系统建模

本文所举例TX-1600G镗铣加工中心主要以原有加工技术为基础，将军用车辆复杂箱体结构零件为主要加工对象，同时将组合创新与工艺原理性创新相结合，在我国863计划支撑下自行研发出精密复合式镗铣机床^[1]。其主要由三铣削加工系统、镗削加工系统、床身与液压工作转台系统三大部分构建而成，这一结构主要有两大优势，首先，在加工大型箱体过程中，其能够在以此夹装工件情况中切实实现五个表面加工，有效降低因多次夹装所引发误差，大幅度促进工件加工质量^[1]。其次，能够切实实现一次性镗孔、钻孔、攻丝等具有较高复杂性的复合式工序，大幅度提高加工效率的同时，有效降低加工成本。镗削系统是本文所距离加工中心核心构成部分，主要应用与大型复杂箱体侧方位孔与复杂曲面加工两方面，本文通过运用SolidWorks进行三维建模，由于系动态系统对于镗削加工精度有着最为直接的影响，因此，针对镗削系统变结构动态特征展开分析具有强烈必要性。

2镗削系统动态特性

本文所举例TX-1600G镗铣加工中心在开展镗削加工过程中，其系统滑台位置与速度处于不断变化状态中，同时，镗削主轴自身转速变化也会促使惯性力与激励频率出现不同变化，此类因素皆能够对镗削系统震动产生一定程度影响。有通过结构动力学相关知识可知，机床镗削系统动力学方程为：mx+cx-kx=0，在式中，m为镗削系统质量矩阵，c为阻尼矩阵，k为刚度矩阵，通过对上述公式进行模态坐标转换，便能够求出镗削系统自身固有频率与相关震动类型，并且，也可通过模态叠加法法则计算镗削系统动态相应方程，即为

：

在式中，X/P为镗削系统动刚度，A（r）为第r阶段震动类型，Kr为第r阶段模型动态刚度， 为第r阶段固有频率， 为都r阶，模态阻尼比。机床镗削系统在零件加工过程当中，其主轴震动情况为动态变化，而更深层次对镗削系统各加工点动态特性加以掌握，则是促进机床性能大幅度提升的有效途径，并且，由于精密加工对于孔与曲面加工精度有着较高要求，其动态特性对于其加工精度与质量而言有着最为直接的影响，由此不难看出掌握镗削系统变结构动态特性的必要性。

3模态分析

3.1模态分析概述

作为机械结构内部固有震动特性，每一个模态皆具有自身特定固有频率、阻尼比、模态震行，其中，模态参数可通过计算或试验进行分析获取，这一过程便是模态分析，由于震动幅度只会受到阻尼比影响，对于震动频率并不会造成任何影响，故而，本文所做分析不将阻尼比纳入其中。多自由度系统无阻尼比自由震动运动方程为：mx+kx=0.改方程解为: 则 ,随后将其带入后得出: ,在经过整理后得出: .其中,矩阵 存有非0解,此处,假设k和m为定值、无阻尼、无激震力，求上述供述可得到若干各根，在开方后能够得到固有频率，从而将任意特征值待入职方程当中皆能够求得特征为非0的向量，对于震动系统特征向量而言，这一方程式为其系统震动位移形态提供利统称，便是主震型，而主震型至与结构自身参数相关，故而可称之为固有震动型。

3.2模态分析过程

本文通过运用SolidWorks软件针对TX-1600G镗削系统建设三维实体模型后，针对其开展简化处理，并将经过处理的模型导入至Abapus这一有限分元软件当中。首先，针对材料属性，该镗铣加工中心立柱、滑台、主轴箱裁量均为HT300型号，弹性模量为157Gpa，泊松比为0.23,其密度为7.532X10³kg/m³。随后，在网格划分这一方面当中，通过运用Abapus划分工具，选择C3D10单元完成网格划分，随后生成节点与单元119184各与72367个。而后，对其施加约束，在这一过程中，为能够有效增加计算精度，需对结合面刚度对模态分析影响加以考虑。通过弹簧阻尼模拟器结合面刚度，结合面主要包含直线滚子导轨副以及滚珠丝杠副，本文所距离加工中心主要以型号为RA65CM1BP4C的直线滚子导轨与DFD5020-3C3Z-1590/1871的滚珠丝杠为主，其刚度数值来源于NSK经济产品手册提供，刚度具体为0.27e9N/m以及0.91e9N/m。

由于震动变形量对于一阶模态较为敏感，故而，本文分析针对一阶模态加以考虑，将镗刀刀柄最低位置作为原坐标点，建设工作空间坐标系，在通过上述公式求解后得出其工作位置一阶震动类型，结果表明镗削系统一阶模态震动类型主要以弯曲与扭曲为主，同时得出镗削系统典型工作为重固有频率，其中，一阶固有评论范围在31.498赫兹至42.972赫兹之间，最大位移发生顶部伺服电机与镗削主轴前段，这一现象表明此位置刚度为最低，极易发生变形，因此，在加工零件过程中，应选择较低固有频率加工位置，同时不能在一阶固有频率2.5倍范围之内开展工作。

结论：

综合上文所述，本文通过模态分析，得出以TX-1600G为例的镗削系统帧动一阶模态震型云图，同时通过对其分析，得出需强化立柱中部与镗削主轴前段刚度这一结论。最后，通过对镗削系统模态分析，取得镗削系统动态性参数，为日后加工中心提升自身加工性能提供了有效参考。

参考文献：

[1]梁媛, 孙建业. 复合式镗铣加工中心的电气控制与应用[J]. 新技术新工艺, 2019, 374(02):51-55.

[2]杨啟鑫. 基于机电一体化技术的数控镗铣床改造[J]. 南方农机, 2020, 51 (16):156-157.