2017年5月23日

機床結構優化和加工特性分析研究現狀

世界上第一臺精工銑床制造于1952年，隨著制造工藝和計算機精工技術的發展，機床的加工精度不斷被提高。90年代以來，普通級的精工加工機床的加工精度己經從原來的10pm提升到5pm，超精密機床的加工精度甚至進入到納米級水平。盡管機床的加工精度達到了相當的水平，但是機床加工精度的穩定性問題一直是個非常棘手的問題，特別是對于批量生產所使用生產線中的機床來說，機床的精度穩定性至關重要。從機床的誤差源分析（圖1.5)可以看出，影響機床精度的因素有很多，最初的結構設計，原材料及其加工和零部件裝配，關鍵零部件如進給傳動系統滾珠絲杠、直線導軌包括軸承的傳動誤差（一般由于間隙過大、剛性不夠引起），切削加工過程中的切削參數、切削載荷變化，冷卻、散熱、潤滑后期維護等都對機床的精度有影響作用。就保證機床的精度穩定性來說，主要有誤差防止和誤差補償兩種基本方法。前者屬于事前預防型的“硬”技術，包括在機床的整個設計和制造過程中的如機床各個部件的結構優化、裝配技術、制造工藝等，另外控制機床的工作環境如冷卻、潤滑、配備恒溫車間等也是防止誤差的途徑。誤差防止技術是保證機床精度穩定性的基礎，但是隨著精度的不斷提高，達到一定程度后再提髙精度會比較困難，即收獲與付出的性價比會很低，這是限制其使用的一個缺點[2]。后者誤差補償方法屬于“軟技術”，即通過人為的制造出一種反向誤差來抵消現有誤差，最終提高零件的加工精度[3]。本文從誤差防止的技術范疇考慮，由于機床結構的頻率特性和切削過程中的動態特性與機床的加工性能關系較為密切，也是保證機床加工過程中的精度穩定性的基礎。故選擇機床機構方面如加工中心的動、靜態特性分析和結構優化以及加工方面如切削過程中的穩定性保證兩方面來研究加工中心的精度穩定性保證技術。1.3.1機床結構分析與優化為了達到減少生產費用和適應實現多工業加工需要，現代機床都是利用模塊設計理念設計制造的[5]。如下圖所示，精工加工中心一般由6個模塊組成，即底座（床身）、滑體、工作臺、立柱、刀庫和一個帶主軸單元的主軸箱。就像人身體中的骨骼一樣，機床結構為其所有部件提供機械支持，結構的剛度、阻尼和配置形式等因素影響著機床的精度穩定性能力[6]。在對機床進行靜動態分析和結構優化之前，首先要做的一項工作是機床系統的建模，而要想建立比較準確的機床分析模型又要選擇合理的建模方法。目前國內外應用比較廣泛的機床建模方法主要包括傳遞矩陣法、均質梁法、集中參數法與有限元方法等其中，隨著計算機技術的迅速發展和計算速度的大幅度提高，計算有限元分析方法在機床的研發過程中起到越來越大的作用。通過對結構進行靜動態特性分析，可以在樣機制作前得到一個接近實際情況的仿真結果，預估機床結構的特性，分析并改進其薄弱環節。同時可以對比多種不同的設計方案，節省人力物力，加快產品設計周期。通過結構優化技術，如拓撲優化和尺寸優化，可以使機械結構的性能在規定的約束條件下達到一個最優值，為進一步的改進設計和樣機制造提供借鑒和支持。(1)結構靜動態性能分析機床的靜動態分析主要包括靜力分析、動力學分析、熱分析等，其中動態分析有分模態分析、諧響應分析和瞬態動力學分析等。靜力分析[12]通過將機床加工過程的力轉化為相應的靜態力施加在機床結構上，來分析其應力和應變。模態分析是動力學分析的基礎，在實際結構設計中結構模態是考慮比較的因素，通過此分析，可以獲得對機床整機或者其零部件影響比較大的前幾階模態，避免機床在實際加工中引起整機或者零部件的振動。諧響應分析[15]是通過對所分析件施加周期性的載荷在查看其動態響應的分析。_ HermansM等使用運行模態分析方法進行了模態參數識別，并對比了自然激勵法、平衡實現和直交變值分析法在工業分析中的應用。劉軍[17]等使用改進的錘擊法，對車身進行了模態分析，結果表明試驗模態的改進有一定效果。(2)結構優化技術根據不同設計階段的優化需要，可以將結構優化技術分為四種，尺寸優化（圖1.6-a) 的設計變量是結構的尺寸參數；形狀優化（圖1.6-b)是在結構拓撲關系不變的前提下優化結構比如孔等的邊界和幾何形狀；拓撲優化（圖1.6-c)主要是優化材料的分布，屬于概念設計的范疇；形貌優化主要用于板類結構加強肋的強度優化。在優化設計方面，Vance[18]等利用虛擬現實技術，構建了機床的有限元模型，并進行了結構優化，為整機優化提供相關參考。Kang Y[19]等基于靜動態分析性能對比闡述了系統優化設計的CAE方法。Kim%等人利用神經學習方法對機床主軸系統進行了參數優化。張學玲t21』等利用有限元技術對機床的床身結構進行了優化設計。劉漢昕[22]等基于做的模態測試，對機床的關鍵部件立柱進行了優化設計。由于筋板在機床結構中的布置形式對于機床的靜動態性能有相當大的影響[23]，陳生華通過對立柱內部的筋板進行布局和厚度的優化，研究了兩者對于立柱靜動態性能的影響。響應面法[24]是一種采用實驗設計理論對指定的設計點集合進行試驗，得到目標函數和約束函數的響應面模型，來預測非試驗點的響應值的方法。Wang GG[251等基于拉丁超立方試驗，對自適應的響應面法進行了研究。于海蓮[26\姜衡[27]等分別基于響應面方法，利用多目標遺傳算法對機床立柱進行了優化設計。1.3.2機床加工特性分析加工中心主要完成發動機缸體的銑面加工和孔加工，表面質量要求較高不允許有振紋產生，孔的加工對尺寸、形位等精度要求也較高，因此本文重點就此兩點進行分析。對于制造商和機床操作師來說，切削刀具的振動是他們最關心的問題之一。切削顫振會嚴重影響加工質量，降低表面粗糙度，導致切削振紋的產生（圖1.7)，在一些對表面質量要求較高的加工場合下，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，顫振還會極大的限制加工效率。利用主動或者被動的阻尼設備、選擇合適的主軸旋轉速度和切削深度等方法，可以有效的抑制顫振的發生[28]。后者也即通過選擇合適的切削參數，來避免顫振的發生，一般是利用傳統的分析顫振模型，通過給定刀具-工件組合和切削條件，繪制穩定性葉瓣圖來顯示出穩定區和非穩定區的邊界線，從而指導切削參數的選擇。根據顫振發生的不同機理解釋，可以將顫振分為三種不同的類型。第一種認為顫振是由于切削過程中刀具與工件之間的摩擦造成的，即摩擦型顫振[29][3()][31];第二種認為由于模態耦合效應才造成了顫振的發生[32][33][34];其三認為顫振是由于切削過程中的再生效應造成的。在早期的穩定性預測模型的研究和建立當中，Tlusty[32][35]，Tobias%和0Ptiz[37]完成了一些開創性的工作。Altintas和Budak[38]針對銑削加工提出了一種兩自由度的顫振分析模型，并且在頻域范圍內解決了一個本征值方程。這些模型均基于系統動力特性和切削系數為常數值并且時不變的假定，顯然，在實際情況中不是這樣的。再生性顫振是自激振動的多種類型當中最普遍的一種，故這里主要來研究再生型顫振^ R.S.Hahn[39]首先于1954針對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：即刀具的振動會導致加工工件上產生振紋，下一個刀齒切削時會碰到這些振紋同時自身也會產生振紋，由于這兩種振紋的相位差，會造成切削厚度&以及切削力的變化，當辦超過一定水平后，這種再生效應就會成為主導，進而導致顫振的發生。也就是說切屑厚度的震蕩變化（即切削厚度變化效應），導致顫振的發生。因此可以通過構建切削深度關于主軸轉速的函數，進而繪制圖形來描述切削過程的穩定與否（也就是顫振發生與否），這種圖形就是穩定性葉瓣圖_ (Stability Lobe Diagram, SLD)。如下圖所示：圖中，曲線下方的區域如A、C兩點所在位置是理論上的不發生顫振區，曲線上方的區域如B點是顫振區域。由圖可以看出，在高速加工時，加工阻尼的穩定性效果減小使得加工更易產生顫振，圖上表現出的是高速時的穩定區域較小。基于時間、成本和準確性的標準下，利用葉瓣圖可以幫助我們選擇******的參數。劉安民[41]等研究了在高速統削情況下，顫振的診斷問題和預報。石莉[42]等基于小波理論，對動態銑削力進行了研究，并預報了銑削顫振。張臣[43辱，通過仿真分析得到的數據，對銑削加工進行了參數優化。在國外，Gagnol^等基于模態分析對高速主軸進行了顫振穩定性預測。Kivanc[45] 等對端面銑削進行了結構建模，并對成形誤差和穩定性進行了預測。SChmitz【46]等利用統計學方法，基于同步聲信號采集，對顫振進行了識別。1.4論文主要完成工作本文基于課題的研究內容，針對MDH80臥式加工中心，從結構分析優化和加工特性分析兩個大的方面對其研究分析，具體工作如下：(1)加工中心的靜動態特性分析對臥式加工中心進行結構分析和受力分析，然后結合實際工況單獨對立柱進行靜力分析和有限元模態分析（包括自由模態分析和約束模態分析），之后利用錘擊模態試驗對立柱進行試驗模態分析，得出低階模態固有頻率與有限元自由模態分析的結果進行對比分析。(2)加工中心的結構優化設計在結構優化方面，以立柱為典型對其進行基于密度法的拓撲優化，得到立柱的三維概念模型。構建立柱結構內筋板參數化模型，然后對筋板相關尺寸進行基于響應面法的尺寸優化得到具有高剛度和輕量化特點的立柱結構，最后進行相關對比分析，為結構的改進提供參考。(3)加工中心的切削穩定性技術針對工序OP100.2所用加工中心的加工內容，研究刀具銑削顫振穩定域分析葉瓣圖的構建，對所用銑刀進行刀具模態實驗得到刀具的固有頻率、剛度和阻尼比。基于Deform 有限元軟件對該銑刀進行銑削力仿真實驗得到相應的銑削力系數。基于模態實驗和銑削力仿真實驗得到的結果，構建銑削加工的穩定域葉瓣圖，為切削參數的選擇提供參考。(4)加工中心的精度穩定性評估研究CU分析理論在機器能力評價中的應用，對工序OP100.2的加工中心進行Cmk 分析。連續加工25個缸體工件，使用高精度三坐標測量儀對相關加工內容進行測量，獲得精度數據后對數據進行分析，得到該加工中心的Cmk值，來對加工中心的精度穩定性進行評估。

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