發(fā)布時間：2020-09-03 11:56

　　 機械加工裝備正朝高速、高效、高可靠性和高精密方向發(fā)展,為滿足越來越高的加工工藝性能要求,其機械結構系統(tǒng)具有優(yōu)異的動態(tài)特性顯得尤為重要。本文以CNC 8312A高速凸輪軸磨床為研究對象,結合國家863高技術研究發(fā)展計劃項目“超高速磨床設計和制造中的反問題與優(yōu)化技術研究”,對磨床主要部件及整機機械結構動態(tài)特性進行了研究分析,并對高速磨床的床身、主軸、砂輪架底座和主軸箱等主要部件的機械結構作了合理優(yōu)化與設計。論文主要內容如下:(1)對自由狀態(tài)和約束狀態(tài)下的原床身和主軸的動態(tài)特性進行分析,找出其薄弱結構并完成了優(yōu)化設計。論文探索了床身支撐位置及支撐數(shù)量的變化對床身動態(tài)特性的影響,提出了相對較好的支撐設計方案。基于子結構法,論文探討了不同形式、不同尺寸及不同壁厚的子結構單元對床身動態(tài)特性的影響。基于材料的磨床床身動態(tài)特性分析表明,在床身機械結構相同時其動態(tài)特性與床身材料有關。論文對高速磨床床身作了綜合優(yōu)化設計,使床身動態(tài)性能明顯改善。引入靈敏度分析法,以最佳動態(tài)特性為目標針對主軸的四個關鍵參數(shù)進行分析,得到了主軸動態(tài)特性的最敏感參數(shù)為外伸段長度和空心直徑�；�45、65Mn、60Si2Mn和40Cr等主軸常用材料,對相同結構下的磨床主軸進行仿真分析表明常用主軸材料對主軸的低階模態(tài)頻率影響不大但振型位移方面40Cr主軸相對較小。綜合各方面因素提出了磨床主軸的最優(yōu)化設計方案。(2)開展高速磨床主軸箱、砂輪架底座、進給工作臺的上臺面和下臺面等零部件的動態(tài)特性分析與結構優(yōu)化設計。針對床身-工作臺裝配體,利用MSC.Patran/Nastran有限元分析軟件對影響組合體動態(tài)特性的因素進行了探討。針對砂輪架底座以輕量化為目標,基于參數(shù)DOE分析,采用L16(4~3)正交實驗方案,作了三因素的直觀分析和回歸分析,得到了設計因素與目標之間的線性回歸方程,提出了砂輪架底座輕量化設計最優(yōu)方案。(3)基于傳遞矩陣法對高速磨床主軸-砂輪轉子系統(tǒng)作了臨界轉速分析、穩(wěn)定性分析和不平衡響應分析,獲取了轉子系統(tǒng)的低階臨界轉速和共振峰值,分析表明轉子系統(tǒng)不存在臨界負荷問題且轉子不平衡響應比較理想。(4)利用基于假想材料的高速磨床導軌結合部模擬技術和吉村允孝積分法,得到了高速磨床導軌結合部和螺栓連接結合部的等效剛度和阻尼系數(shù),在此基礎上對原磨床整機進行了動態(tài)特性分析。提出了基于模態(tài)頻率錯位法的高速磨床整機優(yōu)化設計方法并驗證了該方法的有效性�；谶B接螺栓數(shù)量與直徑對螺栓固定結合面進行了優(yōu)化設計,研究表明適當增加連接螺栓直徑或增加連接螺栓的數(shù)量均可以大幅度提高螺栓固定結合面的剛度和阻尼,有益于提高高速磨床整機動態(tài)性能。提出了基于最小切點位移的高速磨床整機結構優(yōu)化方法。(5)采用單點激勵、多點拾振的單輸入多輸出方法(SIMO法),利用LMS SC-305-UTP動態(tài)信號采集分析系統(tǒng)開展了對磨床主軸和床身-工作臺組合體的動態(tài)特性分析與測試,實驗表明本文所建立的有限元模型能比較真實地反映出高速磨床實物的動態(tài)特性,理論模型具有較好的可靠性。
【學位單位】：湖南大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TG580.2
【部分圖文】：

義子計算機技術的發(fā)展，已使動力學分析加工裝備研究、設計、生產(chǎn)、實驗、鑒速磨床相比其他類型的機床設備，是一制造廠家的設計和制造手段相對落后，傳統(tǒng)研究方法一般都是建立在許多假設造、實驗、改進、再制造和再改進，最人力、物力、經(jīng)費和時間的實車試驗來目則只能依靠沒有充分科學分析的經(jīng)驗研究，實現(xiàn)磨床結構的優(yōu)化設計，本文學分析與仿真技術，在概念設計階段即免重大設計失誤，在磨床樣機生產(chǎn)和試產(chǎn)和預測實驗結果�？傊垢咚倌ゴ瞾�(圖 1.1)，盡可能減少沒必要的經(jīng)費投

按砂輪線速度 v 的大小可以將磨削加工分為普通磨削(v<45m/s)、高速磨削(45≤v<150m/s)和超高速磨削(v≥150m/s)[11]。相比其他方法，磨削特別是高速和超高速磨削具有效率高、加工精度高、磨削力小、磨削溫度低、砂輪壽命長、加工表面完整性好、自銳性優(yōu)良等優(yōu)點，容易實現(xiàn)對難成形材料的精加工。隨著技術的進步、高強度新材料的應用以及對機械零部件的精度和壽命要求的日益增加，對磨削加工提出了新要求，尤其是高效高精密磨削裝備的研制問題。在磨削加工領域特別是高速磨削和超高速磨削加工方面，以德國為代表的歐洲引領磨削技術潮流，日本和美國亦有非常不錯的表現(xiàn)[13][14]。引領先進現(xiàn)代磨削加工技術正朝著研發(fā)精密及超精密磨削、使用超硬磨料磨具、高速、高效磨削工藝及磨床自動化方向發(fā)展[15]。國外對高速磨削技術的研究起步較中國早，上世紀 30 年代初，德國切削物理學家 Carl.J.Salomon 在一系列切削實驗后，提出這么一個假設“切削過程中切削溫度先隨著切削線速度的增加而增加，但在達到某一個峰值后下降，且切削不同材料溫度峰值不一樣”，并發(fā)表了著名的 Salomon 曲線(速度溫度曲線)(圖 1.3)[16]，明示了提高切削速度可以提高材料去除率的假說。

特別是起支撐作用的床身和工作臺部分及因此研究高速磨床組合機械結構的參數(shù)化建模對周期具有很重要的意義。本文采用動態(tài)子結構法分別對各子結構進行參數(shù)化建模，并通過實驗模然后在已建立起的正確的子結構有限元模型的基接起來組成高速磨床整體有限元模型，各結合部進行修正。我們將高速磨床的床身、工作臺、主結構，對各個子結構建模時又將其拆分為若干個速磨床機械系統(tǒng)結構層次圖如圖 3.2 所示。床身是磨床最笨重的機械結構，通常設計目標是撐穩(wěn)定性，床身一般是鑄造箱體結構，其形狀結模時，通常忽略掉對整體模態(tài)影響不大的細小結和結構尺寸將床身拆分為導軌、加強隔板和床身本個獨立的小結構，對每個獨立結構以其結構尺寸件進行參數(shù)化實體建模，組合起來即是床身的參數(shù)

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本文編號：2811392