GK650高速切削數(shù)控加工中心的振型分析

歐陽兆彰，王天雷，張憲忠

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GK650高速切削數(shù)控加工中心的振型分析

歐陽兆彰1，王天雷2，張憲忠3

（1. 江門職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電技術(shù)系，廣東 江門 529000；2. 五邑大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 江門 529020；3. 國家摩托車及配件質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，廣東 江門 529000）

建立了GK650高速切削數(shù)控加工中心的有限元模型，并進(jìn)行了低階振型分析；構(gòu)建機(jī)床試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析系統(tǒng)，進(jìn)行了實(shí)測驗(yàn)證. 結(jié)果表明：實(shí)測結(jié)果與有限元分析吻合，驗(yàn)證了有限元模型的正確性，并得出立柱是制約GK650高速切削數(shù)控加工中心性能的主要部件的結(jié)論.

高速數(shù)控加工中心；振型特性；有限元分析

當(dāng)今，制造業(yè)面臨市場需求變化大、產(chǎn)品品種規(guī)格多而批量小等新問題. 為適應(yīng)這一新形勢，研制高效率、高質(zhì)量、高柔性的生產(chǎn)設(shè)備成了必然趨勢. 在歐美、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家，高速切削加工技術(shù)己成為切削加工的主流，高速數(shù)控加工中心的單元技術(shù)和整機(jī)技術(shù)水平正在逐步提高，部分成果已在航空航天制造、汽車工業(yè)和模具、輕工產(chǎn)品制造等重要領(lǐng)域創(chuàng)造了驚人的經(jīng)濟(jì)效益[1]. 目前，我國自主研發(fā)的高速數(shù)控加工中心離國際先進(jìn)水平還有較大差距[2]，主要原因是沒有形成一套有效的高速數(shù)控加工中心設(shè)計(jì)開發(fā)的理論支撐體系，產(chǎn)品試制盲目，如多數(shù)廠家只對普通機(jī)床的主軸系統(tǒng)以及進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行簡單提速，而對加工中心整體結(jié)構(gòu)在高速切削時(shí)的固有特性卻不甚了解，以至對整機(jī)的動(dòng)態(tài)特性把握不足，不能有效避開在高速加工時(shí)的振動(dòng)，從而嚴(yán)重影響了加工的可靠性和精度. 本文對江門某自動(dòng)化公司自主開發(fā)的GK650高速切削數(shù)控加工中心進(jìn)行了動(dòng)態(tài)分析，其結(jié)果將為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的改進(jìn)提供依據(jù).

1 GK650高速切削數(shù)控加工中心的特點(diǎn)

GK650高速切削數(shù)控加工中心如圖1所示，與傳統(tǒng)的數(shù)控加工中心相比，本產(chǎn)品具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）高速切削加工速度5~8 m/min，單位時(shí)間內(nèi)材料切削率大大增加，可達(dá)到常規(guī)切削的3~6倍；切削加速度高達(dá)9.8 m/s2，大幅提高了機(jī)床的快速空程速度.

2）高速切削加工時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速達(dá)30 000~40 000 r/min[3]. 隨切削速度的提高，切削力隨之減?。ㄆ骄蓽p小30%以上），有利于剛性較差和薄壁零件的切削加工，能直接加工模具合金鋼以及淬硬后的鋼材.

3）高速切削加工時(shí)，切屑以很高的速度排出，帶走大量的切削熱，使傳給工件的熱量大幅度減少，有利于減小加工零件的內(nèi)應(yīng)力和熱變形，提高加工精度.

圖1 GK650高速數(shù)控加工中心

2 GK650高速切削數(shù)控加工中心的振型分析

機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性包括機(jī)床振動(dòng)的固有頻率和振型、對強(qiáng)迫振動(dòng)的響應(yīng)等，不僅影響加工精度、使用壽命，也影響加工的穩(wěn)定性. 要加強(qiáng)高速切削加工中心的穩(wěn)定性與加工精度，必須進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究，分析評價(jià)高速加工中心的動(dòng)態(tài)特性.

圖2 GK650x軸導(dǎo)軌的放置

2.1 GK650的有限元模型

有限元分析是機(jī)床動(dòng)力學(xué)研究的重要方法，相應(yīng)模型的建立必須根據(jù)機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，如GK650的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是橫梁軸導(dǎo)軌的放置與一般的加工中心不同，具體如圖2所示.

GK650加工中心由工作臺、立柱、主軸、橫梁、導(dǎo)軌、滑板等部件構(gòu)成. 其中，橫梁和立柱是一體鑄造的；工作臺與立柱通過螺栓連接，剛度很大，可以視為剛性連接；加工中心的移動(dòng)部件由豎向滑板、橫向滑板組成，可以視為剛性連接. 建立有限元模型時(shí)把床身和底座作為一個(gè)整體考慮，使用Pro/ENGINEER軟件建立GK650的實(shí)體簡化模型見圖3-a，然后導(dǎo)入到ANSYS軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，構(gòu)建有限元模型，如圖3-b所示.

圖3 GK650高速切削數(shù)控加工中心動(dòng)態(tài)分析模型

2.2 GK650模態(tài)振型分析

表1 GK650模態(tài)計(jì)算結(jié)果

ANSYS模態(tài)分析得高速加工中心存在的主要振型如下：

1）第1階固有頻率中，振型主要為立柱和橫梁帶動(dòng)豎向滑板和橫向滑板前后擺動(dòng)；

2）第2階固有頻率中，振型主要為立柱帶動(dòng)橫梁與滑板左右（軸方向）擺動(dòng)；

3）第3階固有頻率中，振型主要為立柱扭轉(zhuǎn)變形，如圖4-a所示；

4）第4階固有頻率中，振型主要為滑板等移動(dòng)部件帶動(dòng)立柱彎曲振動(dòng)，如圖4-b所示；

5）第5階固有頻率中，振型主要為立柱和橫梁帶動(dòng)豎向和橫向滑板繞軸來回?cái)[動(dòng)；

6）第6～10階固有頻率中，振型主要為橫梁、立柱隨底座繞床身軸扭動(dòng).

圖4 ANSYS模態(tài)分析第3階和第4階的振型

GK650工件加工的主要頻段集中在200~400 Hz，即主要是第3階與第4階模態(tài)，它們都與機(jī)床立柱的振動(dòng)相關(guān)；因此，優(yōu)化立柱的結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度，能改善GK650在加工應(yīng)用時(shí)的動(dòng)態(tài)特性.

2.3 GK650試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

GK650高速數(shù)控加工中心的有限元模型是理想化模型，其正確性必須經(jīng)過實(shí)測驗(yàn)證. 試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法是將理論分析與試驗(yàn)測試密切結(jié)合的分析系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的方法[7]，以下利用試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析方法驗(yàn)證本文有限元模型的正確性.

GK650高速數(shù)控加工中心試驗(yàn)?zāi)B(tài)測試系統(tǒng)包括硬件和軟件2部分. 硬件包括計(jì)算機(jī)、傳感器、數(shù)據(jù)采集卡等儀器設(shè)備；軟件包括以LABVIEW軟件編制的程序框圖和界面. 利用脈沖錘分別對GK650進(jìn)行激振，得到的加工中心的各階固有頻率中，部分與有限元模型第3、4、7、8階模態(tài)較吻合，因此可認(rèn)為樣機(jī)與模型吻合較好. 實(shí)測（結(jié)果如表2所示）分析也發(fā)現(xiàn)第3階和第4階模態(tài)的固有頻率是加工中心的敏感頻率；因此GK650的結(jié)構(gòu)改進(jìn)工作應(yīng)針對立柱的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).

表2 模態(tài)計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的比較

3 結(jié)束語

結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性分析和研究是高速切削數(shù)控加工中心研制的重要環(huán)節(jié). 本研究結(jié)果提示：對GK650結(jié)構(gòu)的改進(jìn)工作應(yīng)針對立柱的強(qiáng)度與結(jié)構(gòu)進(jìn)行后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，以使機(jī)械加工的生產(chǎn)效率和加工精度得到顯著提高，并改善加工質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本.

[1] 郭新貴，汪德才，李從心. 高速切削技術(shù)及其在模具工業(yè)中的應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代制造工程，2002(9): 31-33.

[2] 宋昌才. 高速機(jī)床與高速切削在現(xiàn)代機(jī)械加工中的應(yīng)用[J]. 新技術(shù)新工藝，2002(9): 2-5.

[3] 張宏韜，馮同建，曹洪濤，等. 高速機(jī)床的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢[J]. 機(jī)械制造，2006, 44(3): 12-14.

[4] NG E G, LEE D W, SHARMAN A R C, et al. High speed ball nose end milling of inconel 718[J]. CIRP Annals Manufacturing Technology, 2000, 49(1): 41-46.

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[6] MOAVENI S. Finite element analysis-theory and application with ANSYS[M]. 2nd. Upper Saddle River, New Jersey: Prentice Hall, 2003.

[7] 劉經(jīng)燕. 測試技術(shù)及應(yīng)用[M]. 廣州：華南理工大學(xué)出版社，2001.

[責(zé)任編輯：孫建平]

An Analysis of the Vibration Mode of GK650 High-speedCNC Cutting Machining Centers

OUYANGZhao-zhang1,WANGTian-lei2,ZHANGXian-zhong3

A finite element model of GK650 high-speed CNC cutting machining centers is built and an analysis of its low-level vibration mode is made; a machine experimental modal analysis system is built and verified by testing. The results show that the testing results are consistent with the finite element analysis and prove the correctness of the finite element model. It is concluded that the column is themain component constraining the performance of the GK650 high-speed CNC cutting machining centers.

high-speed CNC machining centers; modal characteristics; finite element analysis

1006-7302（2010）03-0004-28

TH113.1

A

2010-03-20

廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研合作專項(xiàng)項(xiàng)目（2008B090500081）

歐陽兆彰（1981—），男，廣東江門人，助教，碩士，研究方向：數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)，E-mail: spouyangzz@163.com.