機床結(jié)合部特性的理論與應(yīng)用研究

鄭興鳳+趙寶平

摘 要：本文以機床結(jié)合部簡單結(jié)合狀態(tài)與特性為切入點，就機床整機建模中結(jié)合部特性的融合與應(yīng)用，進行細致的探討研究，期望為準(zhǔn)確了解、掌握機床結(jié)合部的特性，推動其特性在機床整機性能提升中的作用，提供有益的參考。

關(guān)鍵詞：機床；結(jié)合部；特性；應(yīng)用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.04.194

0 引言

在機床的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，除了床身、滑座、工作等基本的結(jié)構(gòu)部件外，還存在有導(dǎo)軌聯(lián)結(jié)、絲桿聯(lián)結(jié)等結(jié)合部。此類結(jié)合部對整個機床結(jié)構(gòu)起著極大的性能與正常運行影響。比如機床的靜剛度大小就由其結(jié)合部的剛度特性所決定，或是機床所發(fā)生的振動故障有60%是來源于結(jié)合部。而目前對機床的研究工作多注重機床結(jié)構(gòu)，而相應(yīng)缺少結(jié)合部特性帶來的性能影響與作用。本文據(jù)此以機床結(jié)合部的典型結(jié)合狀態(tài)來做理論剖析，并對其結(jié)合部特性對機床整機的性能影響與應(yīng)用做詳細的探究分析。

1 機床結(jié)合部簡單結(jié)合狀態(tài)理論研究

結(jié)合面指的是機床兩個構(gòu)件之間相互接觸的表面部位，因此結(jié)合部就是指結(jié)合面與其構(gòu)件在此結(jié)合面位置的部分機械結(jié)構(gòu)。而簡單結(jié)合狀態(tài)指的是在結(jié)合部表面受壓力負荷影響而出現(xiàn)變形作用后，相互接觸的兩個構(gòu)件在結(jié)合面位置的結(jié)構(gòu)形狀依然能維持原有的面貌，進而得出結(jié)合部構(gòu)件的剛度要遠大于結(jié)合面剛度的結(jié)合部特性推斷結(jié)論。當(dāng)然這一對機床構(gòu)件在結(jié)合部位置的剛度特性推論，并不適用于結(jié)合部構(gòu)件剛度與結(jié)合面剛度不屬于同一數(shù)量級的條件下。

由于機床結(jié)合面本身具備剛度與阻尼兩類特性，所以對于結(jié)合面的模擬工作可運用彈簧與阻尼器元件來進行。同時結(jié)合面本身也可以視為由無數(shù)個結(jié)合點相互接觸并構(gòu)成的，因此對于每一個結(jié)合點均能運用一組并聯(lián)的彈簧與阻尼元件做模擬置換。而在做具體結(jié)合部特性研究時，為了保證研究效率僅能使用有限個點來置換原有結(jié)合面上的結(jié)合點，用以表述結(jié)合部位置的特性，此類有限個替換點也被稱為等效結(jié)合點。

而機床的一個結(jié)合部通?？墒褂靡粋€或是有限個等效結(jié)合點來做模擬替換，具體等效結(jié)合點的數(shù)量應(yīng)依照機床結(jié)合部的具體特性與結(jié)合狀態(tài)，以及構(gòu)件結(jié)構(gòu)來選定。如果使用有限個等效結(jié)合點做替換模擬，就可以視為將原本的結(jié)合部劃分為多個子結(jié)合部，每個子結(jié)合部會對應(yīng)使用一個等效結(jié)合點做替換。因此通常一個子結(jié)合部會運用一組彈簧與阻尼器元件做模擬置換，進而依照結(jié)合面的單位對其特性做研究分析。

其中對機床單平面結(jié)合部的靜變形特性研究，是指在一個結(jié)合部能使用單獨一個等效結(jié)合點做替換的情況下，將此結(jié)合部的特性運用等效結(jié)合點的六個自由度的剛度與阻尼特性做指代。

因為結(jié)合部自身并沒有質(zhì)量，因此其振動方程式就可以表述為：（k+iωc）x=F。

其中k指的是機床結(jié)合部的剛度矩陣，C指的是機床結(jié)合部的阻尼矩陣，X指的是機床結(jié)合部的相對位移列陣，F(xiàn)指的是機床結(jié)合部的力列陣，而ω指代整個系統(tǒng)的諧振頻率。因此就能基于已知參數(shù)求出矩陣k與c，進而得到機床結(jié)合部的特性數(shù)值。

而當(dāng)機床結(jié)合部遭受到靜態(tài)或是動態(tài)力影響作用情況下，結(jié)合面也會發(fā)生相對的位移反應(yīng)，此位移涵蓋結(jié)合面微觀上的凸起變形與滑移變化，因此可將其位移作用看做結(jié)合面的變形反應(yīng)。其相對滑移所損耗的能量會令表面生成阻尼，而機床結(jié)合部的剛度則來自于相對位移產(chǎn)生的微分，進而能對二者特性做研究解析。

2 機床整機建模中結(jié)合部特性的融合應(yīng)用分析

對機床結(jié)構(gòu)的解析與結(jié)合部特性的應(yīng)用研究，主要目標(biāo)在于運用一定的結(jié)合方法來研究、分析機床結(jié)合部位置特性，進而發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)設(shè)計的隱患問題。并做改進優(yōu)化，將其與原有設(shè)計做比對，以此實現(xiàn)對機床改進發(fā)展的目的。而常用的機床整機子結(jié)構(gòu)結(jié)合方法，主要是柔性結(jié)合手段。

2.1 機床子結(jié)構(gòu)柔性結(jié)合應(yīng)用

所謂柔性結(jié)合指的是相互聯(lián)接、接觸的兩個機床子結(jié)構(gòu)，在其結(jié)合面位置存在相對運動的結(jié)合形式。由于聯(lián)接的兩個子結(jié)構(gòu)屬于不同的機床構(gòu)件類型。因此在進行結(jié)合部聯(lián)接進程中，其結(jié)合面上聯(lián)結(jié)壓力相對有限，而子結(jié)構(gòu)在結(jié)合表層又往往存在微觀上的不平整現(xiàn)象。因此在結(jié)合部聯(lián)接振動時，兩子結(jié)構(gòu)的結(jié)合面就會發(fā)生相對運動，從而成為結(jié)合部柔性結(jié)合狀態(tài)。柔性結(jié)合的結(jié)合面可使用一個或有限個等效結(jié)合點做模擬替換，每一個等效結(jié)合點則可應(yīng)用并聯(lián)的彈簧與阻尼器元件做模型替換。基于此就可列出兩個機床子結(jié)構(gòu)的柔性結(jié)合方程式，并進行結(jié)合部特性參數(shù)的解析運算。

2.2 對機床結(jié)合部的簡化應(yīng)用

對機床結(jié)合部特性參數(shù)的精準(zhǔn)測算，還需要依照其整機的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計與受力情況等條件做參照和解析。比如在機床立柱和床身結(jié)構(gòu)之間，通常會使用螺栓做兩構(gòu)件的聯(lián)結(jié)固定。相應(yīng)的在求解立柱與床身構(gòu)件之間替換結(jié)合面的等效結(jié)合點數(shù)量時，就需與實際所用的螺栓數(shù)目保持一致。同時每一個等效結(jié)合點的受力狀況，又會受到立柱結(jié)構(gòu)重量、主軸箱重量以及工藝作業(yè)產(chǎn)生的切削力所影響。因此需要在進行機床結(jié)合部特性參數(shù)運算時，將各個影響力與矩陣做等效處理，以保證所運算的各個等效結(jié)合點剛度與阻尼數(shù)值的精確無誤。

而對滑動導(dǎo)軌等難以研究等效結(jié)合點數(shù)目與位置的結(jié)合部構(gòu)件，則可以依照機床實際結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，在一根導(dǎo)軌條上依照等距間隔設(shè)置若干個等效結(jié)合點，具體結(jié)合點數(shù)量由導(dǎo)軌長度所決定。而對于軸承聯(lián)結(jié)部位的等效結(jié)合點數(shù)量確定，而通常依照其圓周等角度進行設(shè)置，具體結(jié)合點數(shù)目由軸承的大小規(guī)格所決定。

3 結(jié)束語

對機床結(jié)合部特性的研究，不但應(yīng)了解其部位的受力情況以及結(jié)合面接觸狀態(tài)，兩個子結(jié)構(gòu)之間的結(jié)合方式也會相應(yīng)影響結(jié)合部特性與受力關(guān)系。需要在構(gòu)建機床整機模型時，基于結(jié)合部特性的具體影響因素，以便進行特性參數(shù)的解析運算。

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