第1章 緒論 

1.1 課題背景及其研究意義 
艦船在行駛過程中難免存在零部件的損傷與脫落，隨著艦船裝備的快速化發(fā)展進(jìn)程，裝備保障成為一個(gè)重要問題。裝備保障包括備件換用和損傷修復(fù)兩種方式；但是僅從換件角度考慮，需要大量的備件，這與艦船有限的載重要求形成對(duì)立。因此，除了儲(chǔ)藏裝備常用損傷備件外，儲(chǔ)備系列化零件毛坯和再制造修復(fù)零件加工成為艦船裝備保障的關(guān)鍵內(nèi)容[1]。因此，設(shè)計(jì)制造船用多功能數(shù)控機(jī)床成為目前國內(nèi)艦船裝備保障加工的重要內(nèi)容。 目前，，船用機(jī)床加工主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面： （1）民用船用機(jī)床方面  以 20 世紀(jì) 80 年代中期日本研發(fā)的多功能船用機(jī)床方案為代表[2]，如圖 1.1 所示，該機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)：具備普通車床、銑床、刨床和鉆床的電動(dòng)操作功能，結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格低廉，比較適合空間局限的船舶環(huán)境使用。缺點(diǎn)：機(jī)床防護(hù)功能差，新品維修的周期為 6 個(gè)月左右；不具備數(shù)控加工功能，只能解決常用工件的基本加工，加工精度低；不具備環(huán)境適用性要求，沒有抗干擾能力和良好的防鹽霧腐蝕功能；機(jī)床底座采用角鋼與管鋼焊接，抗振性能較差。  以美國海軍艦隊(duì)裝備保障機(jī)床為代表，20 世紀(jì) 90年代美軍就開始了 MPH（Mobile Parts Hospital）計(jì)劃，如圖 1.2 所示，保障性加工機(jī)床以日本的 MAZAK 加工中心為主[3]。該機(jī)床具備的優(yōu)點(diǎn)：機(jī)床加工性能優(yōu)越，具備 CAD/CAM 模塊化兼容技術(shù)，能夠較好地實(shí)現(xiàn)多品種損傷零件的加工要求。缺點(diǎn)：MAZAK 機(jī)床價(jià)格較高（400 萬人民幣左右）、要求操作技術(shù)高；同時(shí)，機(jī)床控制系統(tǒng)的安全性受制于供應(yīng)商，并且機(jī)床不具備保障性操作功能和耐鹽霧腐蝕的特有設(shè)計(jì)。 
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1.2 船用機(jī)床的耐波性 
船用機(jī)床與通用機(jī)床最大的區(qū)別是艦船的海洋波浪振動(dòng)環(huán)境。研究表明[4-6]為了實(shí)現(xiàn)機(jī)床的抗振穩(wěn)定性，對(duì)于加工精度 0.01mm 的中小型通用機(jī)床混凝土減振地基厚度 0.35m 左右；然而，船用機(jī)床只能通過螺栓與艦船甲板緊固連接，其運(yùn)行環(huán)境直接關(guān)聯(lián)于所在艦船的波浪振動(dòng)特點(diǎn)。面對(duì)船用機(jī)床的工作空間、承載重量以及艦船波浪載荷的搖蕩影響，船用多功能數(shù)控機(jī)床要求具備良好的耐波性和穩(wěn)定性特點(diǎn)；并且船用機(jī)床結(jié)構(gòu)的耐波性是其動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的主要指標(biāo)。因?yàn)榇脵C(jī)床固定于艦船上，所以其耐波性研究與艦船耐波性研究具有一致性。艦船的耐波性是指艦船在風(fēng)浪中能夠保持足夠的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并具備安全航行的性能[7,8]。艦艇的耐波性是指艦艇在一定海況下具有適當(dāng)?shù)呐烍w運(yùn)動(dòng)環(huán)境，以保證人員及各種武器、系統(tǒng)和其他裝備能正常工作的能力[9]。因此，船用機(jī)床的耐波性定義為：在波浪載荷引起的艦船振動(dòng)環(huán)境下，機(jī)床具備極端振動(dòng)環(huán)境的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和可靠性，并具備在艦船適居性運(yùn)行環(huán)境下的保障性加工能力。 根據(jù)波浪載荷對(duì)艦船運(yùn)動(dòng)的影響形式不同，可以分為波浪搖蕩載荷和砰擊載荷[7,10,11]。船用機(jī)床固定在艦船上，具備與艦船相似的波浪載荷運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，所以船用機(jī)床的搖蕩和砰擊分析成為機(jī)床結(jié)構(gòu)耐波性動(dòng)態(tài)性能的主要內(nèi)容。 
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第2章 船用多功能數(shù)控機(jī)床總體技術(shù)

2.1 機(jī)床整體結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 
船用多功能數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)過程以功能適用性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性和全生命周期為目標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，課題組基于可重配置的設(shè)計(jì)思想，以通用可靠的經(jīng)濟(jì)性數(shù)控機(jī)床 CK6136 和 XK7132 為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)，機(jī)床具備結(jié)構(gòu)可靠性和生產(chǎn)低成本的特點(diǎn)�？芍嘏渲脵C(jī)床可以根據(jù)用戶需求，選擇相適應(yīng)的結(jié)構(gòu)功能模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，所以可重配置機(jī)床的設(shè)計(jì)與一般的模塊化設(shè)計(jì)有較大不同。模塊化產(chǎn)品均可按照模塊化設(shè)計(jì)的基本原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，即將一種產(chǎn)品或系統(tǒng)分解成一些功能和結(jié)構(gòu)獨(dú)立的基本單元，然后按照用戶的需求組合，以滿足不同用戶的需求。機(jī)床的可重配置設(shè)計(jì)與模塊化設(shè)計(jì)不同，功能實(shí)現(xiàn)方式多樣，具有多種可重配置形式[84,85]。按可重配置的規(guī)模劃分，可分為全局可重配置和局部可重配置；按可重配置的方式劃分，可分為同一模塊多位姿可重配置和同一位置多模塊可重配置。兩類劃分方式?jīng)]有明確的界限，同一模塊多位姿可重配置與同一位置多模塊可重配置兩種形式也可以同時(shí)存在于一臺(tái)機(jī)床。根據(jù)艦船裝備的保障性加工需求，船用多功能數(shù)控機(jī)床的需要具備車、銑、車銑、銑車、鉆、鉸等多種加工功能，其設(shè)計(jì)方案的可重配置結(jié)構(gòu)如圖 2.1 所示，主要特點(diǎn)見表 2.1。 圖2.1表明船用多功能數(shù)控機(jī)床以局部可重配置和同一模塊多位姿可重配置方案為主，便捷地實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的銑削、臥車和立車功能。同時(shí)，采用的基于同一整體床身的銑床部件和車床部件使得多功能機(jī)床更加緊湊和復(fù)合化功能。并且車削主軸具備液壓鎖緊系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)床的 C 軸功能；并且能夠?qū)崿F(xiàn)回轉(zhuǎn)類零件的可靠裝夾功能，解決了回轉(zhuǎn)類零件的夾具設(shè)計(jì)與安裝等問題。 
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2.2 機(jī)床關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)副校驗(yàn) 
圖 2.3 所示船用多功能數(shù)控機(jī)床具備銑削、車削、銑車和車銑功能。機(jī)床工作過程中具有銑削立柱的 Z2向移動(dòng)，車削托板的 Z1向移動(dòng)，銑削刀具和車削刀具的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。在這些運(yùn)動(dòng)中，Z1和 Z2的導(dǎo)軌滑塊分別承受立柱重力和托板重力的負(fù)載；在受到艦船搖蕩力作用時(shí)，其動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性受到的影響較大。 根據(jù)圖 2.3 機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可知：當(dāng)機(jī)床橫搖運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于銑削立柱的重量以及 Z2滑塊導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)副負(fù)載較大，因此 Z2滑塊導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)副成為影響機(jī)床動(dòng)態(tài)性能的主要部件。因?yàn)榇脵C(jī)床固定于艦船上，所以其橫搖運(yùn)動(dòng)參數(shù)與所在艦船的橫搖參數(shù)一致，表 2.2 為船用多功能數(shù)控機(jī)床所在艦船的主要參數(shù)。  
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第 3 章 船用多功能數(shù)控機(jī)床的模態(tài)分析 ........ 33 
3.1 模態(tài)分析原理 .... 33 
3.1.1 試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析 ....... 33 
3.1.2 計(jì)算模態(tài)分析 ....... 34 
3.2 船用多功能數(shù)控機(jī)床的試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析 ..... 35
3.3 機(jī)床結(jié)構(gòu)的計(jì)算模態(tài)分析 ........ 41 
3.3.1 關(guān)鍵滑塊導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)副受力分析與振動(dòng)模型構(gòu)建 ........ 41 
3.3.2 包含運(yùn)動(dòng)副接觸特性的機(jī)床 FEM 模態(tài)分析 .... 45 
3.4 機(jī)床模態(tài)分析比較 ....... 47 
3.5 本章小結(jié) ........ 48 
第 4 章 機(jī)床結(jié)構(gòu)的波浪砰擊特性研究 ..... 49 
4.1 波浪砰擊載荷特點(diǎn) ....... 49 
4.2 機(jī)床波浪砰擊載荷的瞬態(tài)響應(yīng)分析 ....... 53
4.3 機(jī)床砰擊載荷的隨機(jī)振動(dòng)分析 .... 64
第 5 章 艦船搖蕩環(huán)境對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能的影響 ....... 81 
5.1 波浪搖蕩載荷特點(diǎn) ....... 81
5.2 宏微耦合振動(dòng)模型構(gòu)建 .......... 84 
5.3 機(jī)床搖蕩波浪載荷的諧響應(yīng)分析 ......... 88 
5.4 本章小結(jié) ........ 94 

第7章 考慮波浪載荷特點(diǎn)的機(jī)床切削動(dòng)態(tài)性能研究 

機(jī)床切削過程動(dòng)態(tài)性能主要受到機(jī)床工作環(huán)境、機(jī)床主軸系統(tǒng)、刀具以及工件特點(diǎn)的影響。船用多功能數(shù)控機(jī)床與傳統(tǒng)機(jī)床加工環(huán)境不同，船用機(jī)床在艦船環(huán)境下加工時(shí)受到波浪載荷的振動(dòng)影響。為實(shí)現(xiàn)船用機(jī)床的快速保障性加工要求，必須滿足在艦船可適應(yīng)區(qū)波浪載荷環(huán)境下機(jī)床正常運(yùn)行的要求。同時(shí)，船用機(jī)床的加工是針對(duì)艦船多品種中小型零件的快速保障性加工，所以多功能數(shù)控機(jī)床加工動(dòng)態(tài)性能研究以機(jī)床切削系統(tǒng)固有動(dòng)態(tài)特性為基礎(chǔ)，重點(diǎn)研究機(jī)床切削系統(tǒng)固有特性、常用加工材料和典型再制造保障性涂層材料的切削動(dòng)態(tài)特性。 機(jī)床切削加工動(dòng)態(tài)性能研究的重要內(nèi)容是確定機(jī)床切削穩(wěn)定性閾值，從而衡量機(jī)床的振動(dòng)性能，并為合理的機(jī)床切削工藝參數(shù)制定提供借鑒。為了獲得機(jī)床的切削穩(wěn)定性閾值，需要研究機(jī)床切削顫振的特點(diǎn)。機(jī)床的切削顫振屬于機(jī)床切削系統(tǒng)的自激振動(dòng)，其振動(dòng)形式劇烈，嚴(yán)重影響到機(jī)床主軸系統(tǒng)穩(wěn)定性、刀具壽命。目前機(jī)床顫振研究表明[114-120]影響顫振的主要因素包括：工件切削工步交互影響造成的再生顫振，工件與刀具摩擦造成的摩擦顫振和切削系統(tǒng)不同部件固有振動(dòng)交互影響造成的振型耦合型顫振。其中，由于再生顫振屬于切削加工中經(jīng)常出現(xiàn)的現(xiàn)象，并且該現(xiàn)象與切削工藝參數(shù)密切相關(guān)，所以再生顫振備受關(guān)注。但是，機(jī)床切削過程也伴隨強(qiáng)迫載荷條件的影響，當(dāng)強(qiáng)迫載荷達(dá)到或者接近機(jī)床切削系統(tǒng)的固有振動(dòng)參數(shù)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)機(jī)床切削過程的混合型振動(dòng)。研究表明機(jī)床切削的混合型振動(dòng)主要以強(qiáng)迫再生振動(dòng)、強(qiáng)迫再生共振和強(qiáng)迫再生顫振三種形式存在，其中，強(qiáng)迫再生顫振十分劇烈，往往造成嚴(yán)重后果，機(jī)床加工必須避免該現(xiàn)象。 基于上述分析，本章的主要研究內(nèi)容為可適應(yīng)區(qū)波浪載荷對(duì)機(jī)床的影響、機(jī)床切削系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性研究和機(jī)床保障性再制造涂層切削加工研究。 

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總結(jié) 

為實(shí)現(xiàn)艦船裝備的中小型零部件快速保障性加工要求，課題組成功研制了適用于艦船環(huán)境的國內(nèi)首臺(tái)船用多功能數(shù)控機(jī)床。該機(jī)床采用可重配置技術(shù)，集成了臥式車削、立式車削、銑削、鉆削以及復(fù)合加工的功能。船用機(jī)床與通用機(jī)床最大的區(qū)別在于艦船的波浪載荷振動(dòng)環(huán)境，所以機(jī)床的可靠性和快速保障性加工性能成為船用多功能數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵內(nèi)容。為此，本文研究內(nèi)容包括機(jī)床總體技術(shù)、機(jī)床在艦船波浪環(huán)境下適用性、耐波性以及切削動(dòng)態(tài)特性研究。 論文的主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下： 機(jī)床的固有模態(tài)是機(jī)床結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能的關(guān)鍵內(nèi)容，機(jī)床的模態(tài)參數(shù)是機(jī)床動(dòng)態(tài)響應(yīng)和切削動(dòng)態(tài)分析的基礎(chǔ)。為獲得合理的機(jī)床結(jié)構(gòu)固有動(dòng)態(tài)特性，采用試驗(yàn)?zāi)B(tài)與 FEM 計(jì)算模態(tài)振型匹配計(jì)算的方法得到了機(jī)床前 6 階固有模態(tài)參數(shù)。機(jī)床的模態(tài)參數(shù)為機(jī)床的耐波性分析奠定了基礎(chǔ)，并且對(duì)機(jī)床切削動(dòng)態(tài)性能的研究提供了指導(dǎo)。同時(shí)，分析結(jié)果表明本文提出的考慮關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)副結(jié)構(gòu)結(jié)合面的 FEM數(shù)值模型能夠較好地體現(xiàn)機(jī)床的固有動(dòng)態(tài)特性。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：37757