復(fù)雜機(jī)床切削工藝系統(tǒng)的分析方法研究

張國智

ZHANG Guo-zhi

（新鄉(xiāng)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，新鄉(xiāng) 453000）

0 引言

機(jī)床切削加工系統(tǒng)是機(jī)械強(qiáng)力加工中目前應(yīng)用最為廣泛、應(yīng)用最早的制造工藝系統(tǒng)，長期以來，國內(nèi)外工程技術(shù)人員、學(xué)者對此進(jìn)行了大量的研究，如：對高速切削工藝參數(shù)優(yōu)化系統(tǒng)的開發(fā)[1]，對切削過程的仿真分析[2～4]，基于遺傳算法的切削工藝參數(shù)優(yōu)化研究[5]。

機(jī)床切削加工系統(tǒng)是一個非線性復(fù)雜系統(tǒng)，要想準(zhǔn)確分析這樣一個復(fù)雜的系統(tǒng)非常困難，而且該系統(tǒng)呈現(xiàn)高度的非線性，收斂困難，其計算效率較低，為了提高分析效率，并且保證分析精度，必須做適當(dāng)?shù)姆纸夂秃喕１疚囊詸C(jī)床切削加工系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)的分析為例，對根據(jù)分析目的進(jìn)行工藝系統(tǒng)的分解、分析及結(jié)果評價等進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究。

1 分析思路

機(jī)床切削加工工藝系統(tǒng)分析包括機(jī)床設(shè)備、工件、機(jī)床夾具和加工刀具四個部分的分析，以切削過程分析為核心，切削過程分析屬于高度非線性分析，涉及材料非線性、接觸非線性、幾何非線性，通過切削過程分析得到切削力，通常切削力通過半經(jīng)驗(yàn)、半理論、半數(shù)值模擬的手段得出。具體機(jī)床切削加工工藝系統(tǒng)分析思路如圖1所示。

圖1 機(jī)床切削加工工藝系統(tǒng)分析思路

2 復(fù)雜機(jī)床主軸的靜態(tài)剛度、強(qiáng)度分析

2.1 復(fù)雜機(jī)床主軸簡介

某復(fù)雜的機(jī)床主軸如圖2所示，其中，F(xiàn)1＝ 100N，F(xiàn)2＝ 300N，M2＝ 10000N ·mm，E＝200Gpa，m＝ 0.3。

2.2 靜態(tài)剛度、強(qiáng)度分析

應(yīng)用梁單元對復(fù)雜的機(jī)床主軸進(jìn)行分析，有限元模型如圖3所示，復(fù)雜主軸的彎矩如圖4所示，復(fù)雜主軸的剪力如圖5所示，各個截面最大彎曲應(yīng)力如圖6所示，復(fù)雜主軸的撓度如圖7所示。

圖2 某復(fù)雜的機(jī)床主軸

2.3 分析模型的驗(yàn)證

材料力學(xué)及梁單元的有限元計算結(jié)果對比如表1所示，從表1中，通過對比驗(yàn)證了計算結(jié)果的正確性。

表1 材料力學(xué)及有限元計算結(jié)果對比表

圖3 復(fù)雜主軸的有限元模型

圖4 復(fù)雜主軸的彎矩

圖5 復(fù)雜主軸的剪力

圖6 各個截面最大彎曲應(yīng)力

圖7 復(fù)雜主軸的撓度

圖8 復(fù)雜機(jī)床主軸第4階振形

3 復(fù)雜機(jī)床主軸的模態(tài)分析

對復(fù)雜機(jī)床主軸前10階模態(tài)進(jìn)行了分析，復(fù)雜機(jī)床主軸第4階振形如圖8所示，復(fù)雜機(jī)床主軸10階模態(tài)頻率如表2所示。

表2 復(fù)雜機(jī)床主軸10階模態(tài)頻率

4 結(jié)論

本文針對復(fù)雜機(jī)床切削工藝系統(tǒng)分析，得到以下結(jié)論：

1）提出了復(fù)雜機(jī)床切削工藝系統(tǒng)的分析思路，該方法一方面保證了分析精度，另一方面有效地提高了分析效率。

2）基于該分析思路，以某復(fù)雜機(jī)床主軸為工程案例進(jìn)行了靜態(tài)剛度、強(qiáng)度分析，得到了彎矩、剪力、各個截面彎曲應(yīng)力、撓度，并對有限元分析模型進(jìn)行了驗(yàn)證。

3）基于該分析思路，以某復(fù)雜機(jī)床主軸為工程案例進(jìn)行了模態(tài)分析，得到了其前10階的模態(tài)。

本文的研究為復(fù)雜機(jī)床切削工藝系統(tǒng)的快速、準(zhǔn)確的設(shè)計與分析提供了方法和依據(jù)。

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