铣床机床结构的特殊的动力学分析外文翻译资料

中国机械工程学报

铣床机床结构的特殊的动力学分析

摘要：铣头机床是一个复杂的、高质量的机床的主轴系统是由特殊的多元结构。两个特殊的机械配置，使机床的切削性能下降。一个是铣头对两组复合轴承支撑的主轴。铣头的力学动态刚度结构设计与有限元分析（FEA）和数字样机进行了模态综合分析（MSA）识别弱结构。其他的结构吊对铣削头。该结构的研究得到在不同的切割延伸的位置的动态性能。主轴的分析结果用于提高机械在设计的结构和结构。机床的改良结构的建立和获取比以前更好的动态刚度。

关键词：铣头机床动态特性，有限元分析，模态综合分析

0引言

铣头机床，包括多方面五轴是一种高度精密的数控机床产品。它结构复杂，更难，为了制造比普通铣床的设计加工中心。但铣头机床可以减少大工件一次固定的多侧面或曲面在表面的大小和质量好的高精度。以便机在特殊等许多行业中起着重要的作用作为国防，航空。

铣削机铣头有两个特殊机械的配置，使切削性能机床下降。一是铣头主轴由几个连接轴和长机械传动链。另一端固定在端头。由于大众分配变化，关节面轴为以及与普通机床的刚度差异，机床的静、动态刚度降低，切削性能，抗振动，加工精度也变得更糟。不仅设计还要建设铣头式机床结构比更难普通铣床，使机器已经只有光切被使用。

机床制造商必须面对疲软的问题铣头机切割性能。许多研究机床动态特性有了希望通过提高机床切削性能好结构。有限元分析（FEA）和模态综合分析（MSA）是用来计算轴的振动状态机床。

大多数动态分析机床主要工作上机体和主轴和轴承的。的影响铣头结构的主轴轴承机器上切削性能很少收到足够的重视。

针对机床结构的特殊性，其主要研究的是在虚拟机的动态特性本文采用有限元法和模态综合分析设计模式，特别是在主轴的数值模型。目的是提高其动态特性通过结构改进设计指导机的分析结果。

1特殊的主轴结构和在机床上的影响力学

滴头的机床主轴系统显示

图1，其结构特点如下：

（1）主轴的质量分布改变自铣头放在主轴的前面。

（2）主轴主运动系统是由5个轴的4部分在普通铣床以外的一个轴的工具。多关节面改变结构刚度和阻尼。

（3）旋转饲料机添加到主轴和轴承是一个复杂的人；其支承刚度和阻尼也改变了。

图1万能铣头主轴

在动态特性引起的主要变化结构如下：

（1）主轴系统的固有振动特性的变化的性能，特别是主振频率导致的极限转速的变化，并带来了共振正常切削条件。

（2）切削稳定性条件改变对避免颤抖。

考虑主轴结构的变化，动态特性必须计算和单一的比较轴，主轴，以提高刚度设计提供参数与弱结构。

2主轴结构分解与有限元模型

轴轴和支撑壳体系统分为分析两个系统。轴系统分为主轴，传动轴，子结构轴1轴3轴关节面和轴，4轴5运动传动轴和齿轮。一些贝壳是由一个整体连接壳。

该结构的特征研究是这增加了更多的关节面，这使得它更难计算比普通机床主轴。为有效而有价值的结果，计算时间后再次连接，刚性面主要是处理。湿处理参数是非常复杂的，有经验的方式是使用。

实际上，对结构的计算采用有限元模型如下。

轴1和2之间的耦合是固定连接元素，两关节面为目标和接口终点。通过ANSYS软件分析表明接口连接符合位移和力方程的条件。两者之间有一个小位移连接面，但界面参数的仔细选择。界面上的参数是由弹性联轴节的改变。模型单元target170和TARGE170组合成弹性界面。接触刚度系数是FKN 0.3。

连接轴2和3是一个刀具上主轴。它也被视为弹性界面。复合轴承在C轴支撑被视为系列弹簧的子结构4，5在图2中被视为一个力的点输入运动和力。

3特点分析传动轴

3.1运动方程和解耦空间位置三个轴的子模型首先计算的动力学方程1之间的两个界面轴通过联轴器连接；2接口连接的圆锥面。树结构再加上关节面。耦合的坐标被删除基于位移方程的条件。动力学方程通过模态的合成得到的，坐标变换：

模态力F（t）可以直接计算出真正的负载子结构的节点。在节点的振动模型作为一个，我在离开意味着子结构的数目，意味着节点的数目。

如果力}；{ T）放在N个节点，包括子结构全机，式机模态力（1）是

模态力放在分析中的多个节点主轴体模型，从而简化了轴承的刺激。

3.2计算单振性能轴和联轴

网格和房体轴的模态计算。计算了三轴的固有振动频率和表1所示，而那些连接轴所示表2。

表1 三个轴的固有振动频率

表2 连接轴的固有振动频率

有4个二二重根的第一个8级的自然在连接轴振动频率。Sturm序列用于检查失根。

3.3支持复杂轴承刚度

很难弄清楚弹簧单元的刚度复杂的轴承是弹簧支撑。它是如推的材料和形状因素套等。它该有妙结合试验理论分析，以及对类似结构。以下的方式，以KT = k2 = 34.5 MN·m2和k2＞＞K，为复杂的轴承刚度系数，固有振动两个弹性系数在频率如表2所示。

2轴加工中心主轴等于正常时分别观察。与之相比，固有振动复杂的主轴频率明显下降。

3.4动力响应的主轴

将动态响应的刺激主轴必须从铣削力，增加了通过圆周力Fx和径向力F，。精神力量作用在工具提示，并传播的两对齿轮的耦合轴端时，动态响应的主轴系统的分析。振动幅值响应曲线通过对复主轴的激励频率计算。三对不同刚度系数的曲线示于表3。图4描述了表3中的第二位移响应。

表3振动响应位移在三个州

3.5分析，根据计算结果

计算结果的固有振动频率主轴表明，复杂的状态下轴承主轴系统的支持，自然的最低阶层振动频率随单轴比较少。随着频率的增加，自振频率移动大于最低。它是由轴复杂的轴承弹性支承，表明铣削头机床主轴动态性能较低。

最大振动位移响应的复杂主轴的轴比2大得多，根据计算结果。主轴的动态刚度可提高2-3倍增加复杂的支承刚度。

铣头机床主轴的性能低于常规的单轴机床主轴，这样的状态应该是如果机的结构和技术的改进许可证。

4轴壳的模态分析

4.1梭壳的有限元模型

主轴的外壳是由4个子结构零件的铣头和内存有两个外壳部分分别如图5显示。三装配界面如图6所示。接口1是前和刀体的背栓连接，和结束面对每一个作为目标和界面端。使用结合模型单元170同样的方式70弹性界面，接触刚度系数适当选择。接口2是加强铣头和弹簧。接口3铣头旋转接口，还用碟形弹簧。它是一样的在计算前两个连接。

螺栓固定连接，碟形弹簧连接导致不同刚度系数不同，所以必须使用计算，特别是碟形弹簧连接的力量有达到所需的值。选定的系数为80%的螺栓固定连接。

分别建立了4个有限元模型。然后3接口单元节点被耦合在平衡的基础上力和位移，在这约束的模拟与线性弹簧和阻尼连接单元和导轨接口（见图5和6）。

4.2子结构和组合模态综合

首先，计算的基础是自然振动频率对各部分的子结构的模态分析。然后，4子结构耦合3接口进行了模态合成。

该铣头机床不仅可以创造静态变形误差，而且变化动态特性因工作位置的移动。的同样的问题是普通机床，它会更严重如果铣头固定在前面的刀体。

内存位置的变化是相等的约束。的约束和载荷增加到刀体的有限元模型组件都是轴向位置z的函数是图7两个极限约束位置。

动态特性应计算分别根据约束位置。固有振动在两个位置的组件的频率计算表4所示。

表4的自然振动频率的组合

结果表明，固有振动性能是由两个端约束条件的变化的位置。动态刚度下降时延伸到前面（后面的约束）。

4.3动力响应分析

激励力装置，主轴相同系统。激励力作用在工具提示，传播主轴轴承和变力作用在多点耦合箱时，箱体的动态响应分析。

计算结构动力响应时造成两种激励约束位置分别。图8和9的反应在两种情况下的幅频特性曲线。峰值振动值对铣削工具提示，在前面的位置沿X方向约束，约束和后面的两个峰值位置高于前约束位置（见表5）。

4.4 根据计算结果分析

自然特征是两端约束不同位置。当内存约束的位置是在后面的，固有频率减小，振幅增大。一个第二峰值在低频区出现，这将带来谐振工作时，影响加工质量。在55赫兹的频率，这比在前约束位置在X方向位移响应大。

5 弱结构修饰

5.1 主轴结构的改进

为提高动态性能的目的，主轴的特殊结构，必须改善的弱点：

（1）根据固有振动计算结果

频率和主轴系统的响应，第一类频率为164 Hz。相应的极限转速是9840转/分钟，以满足机床的工作速度（高4000转/分钟）；而在轴1的第一级频率是75赫兹，接近工作速度。因此，必须在两方面的改进设计：

一是加大主轴直径，另加支撑轴。在实际设计中，后者是通过在中间位置增加辅助支承轴承1轴。

（2）提高刚度的复合支护。自复合支护刚度有明显的影响动态特性，提高复合材料的刚度支持可以提高设计。修改是使用特殊的锥滚子轴承代替球轴承刚性好。

同时，我们可以增加轴承的预紧张力，缩短前轴承和后轴承之间的距离，以及加厚套宽度。

5.2修改沼泽系统

当零头工作的方式，主要问题是约束位置的变化。设计可以根据分析如下：

（1）修改布局的结构设计移动夯的质心前后位置。

（2）提高界面的刚度增加固定的界面张力，提高接口加工精度。

（3）改变约束条件，通过增加在夯上的约束力量。

压力（3kN）加载在夯的夹杆，最大位移为1.28点，下降23.4%；其提高加工精度；第一自振的内存频率的增加从187.58赫兹到200.68赫兹，夯的刚度得到了提高。

6 结论

对铣头机的动态研究的结论特点是通过有限元分析得出与MSA的含义如下：

（1）考虑主轴的特殊结构

铣削固定在端头上，计算结果表明机床的切削性能大大减弱与普通机床相比。这是发现的复杂的轴承支承刚度和分段连接主轴主轴的动态刚度的影响。

（2）悬伸的固定铣头挂的另一个因素是使刚性差的加工性能由于头削减端质量。

（3）特殊的主轴结构和悬挂夯重量配置必须修改以提高支承刚度，通过计算和分析结构的弱点。

（4）分析复杂的铣头主轴系统动态特性的方法是不同于普通机床分部。

（5）从模拟计算的结果表明，改进结构设计比以前的方法具有较好的静态和动态刚度，也可以作为参考铣头机的结构设计。

为验证本文研究结果的目的，修改后的设计和计算应用的新设计，万能铣头机KZ778制造的桂林机床厂、长征机床SU3000作品。他们都获得改进的结果。因此，它是证明本文的分析方法和设计有很大的为提高特殊铣头的质量具有重要意义。

数控技术和装备发展趋势

工业的技术和设备决定着整个国民经济的水平和现代化程度的现代化程度，数控技术及装备是新兴高新技术产业和尖端工业的发展（如信息技术和信息产业，生物技术及其产业，航空，航天等国防工业产权）的使能技术和最基本的设备。制造技术和装备是生产的最基本的人类活动，而数控技术又是当今先进制造技术和设备，核心技术。广泛应用于当今世界上的数控制造技术以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争力。另外，世界上所有的工业化国家和数控技术设备将被列为国家的战略物资，不仅要发展自己的数控技术及其产业的重要步骤，而且在“中国关键技术和设备先进的“数值方面采取了封锁和限制政策。总之，大力发展先进的数控技术作为制造业的核心技术已成为世界各发达国家加速经济发展，提高综合国力和国家地位的重要途径。

用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控技术，数控设备的数控技术为代表的传统制造业的新技术和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，即所谓的数字设备，其技术范围覆盖很多领域：（1）制造技术；（2）信息处理，处理，传输技术；（3）自动控制技术；（4）伺服驱动技术；（5）传感器技术；（6）软件技术。

1 数控技术的发展趋势数控技术的发展趋势不仅给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的应用领域的不断发展扩大，他的一些重要的民生行业（IT，汽车，轻工，医药等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业数字化设备的要求是现代的发展趋势。从数控技术和装备发展趋势世界，在以下4个方面为其主要研究热点。

1.1高速，高精度的技术和设备的新趋势

1.2轴加工和机床的快速发展

1.3智能化，开放式，网络化数控系统的开发成为一大趋势

1.4重视新技术标准、规范的建立

两对数控技术和产业的数控技术的基本估计的发展始于1958，近50年的发展历史可以分为三个阶段：第一阶段，从1958到1979，即封闭式发展阶段。在这个阶段，国外技术封锁，我们的基本条件，数值控制技术的发展是比较缓慢的。第二阶段是在国家的“计划”，“计划”时期和“85”前期，对技术引进和消化吸收，初步建立了定位系统的阶段。在这个阶段，改革开放以来，国家的重视，以及研究开发环境和国际环境的改善，中国数控技术的研究，开发的产品和定位都有了长足的进步。第三阶段

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