鋼珠式減振器在銑床模型機(jī)上的減振實驗研究.doc

2006屆機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文）1第1章緒論1.1機(jī)床振動問題的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢目前還僅限于普通機(jī)床研究、對高速或超高速機(jī)床的動態(tài)特性的研究還罕見報道。超高速機(jī)床具有高剛度、高抗振性，比傳動機(jī)床動態(tài)性能高510倍，剛度高50%左右，通常不小于100N/0.001mm的數(shù)量級，所以有必要研究超高速機(jī)床的動態(tài)特性。確定機(jī)床結(jié)構(gòu)的振動對加工精度的影響。找出機(jī)床的薄弱環(huán)節(jié)，并從機(jī)床結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性方面，提出一些抑制及改造措施。在超高速機(jī)床上進(jìn)行不同工況條件下的動態(tài)特性實驗，切削條件下的實驗與上面的工藝實驗同時進(jìn)行，主軸轉(zhuǎn)速為1700轉(zhuǎn)/分、9000轉(zhuǎn)/分。實驗證明機(jī)床的動態(tài)性能和各項振動指標(biāo)為各階固有頻率，各階振型和阻尼，動剛度及幅頻、相頻特性。目前，對機(jī)床動態(tài)的研究主要有試驗?zāi)B(tài)分析法和有限元法。首先分析各個零部件的結(jié)構(gòu)（如床身、立柱、床頭和工作臺）在三維軟件pro/E中建立CAD模型，分別導(dǎo)入Ansys分析軟件中，作模態(tài)分析測出固有頻率和振型。結(jié)合實際結(jié)果，找出薄弱零部件，并提出優(yōu)化方案。僅分析個別零部件，無法全面反映機(jī)床整機(jī)的性能，因為各零件之間結(jié)合部對整機(jī)的動態(tài)性能影響很大，所以有必要做包括結(jié)合部在內(nèi)的整機(jī)動力學(xué)分析。近幾年已有北京理工大學(xué)、東南大學(xué)、上海交通大學(xué)等少數(shù)研究機(jī)構(gòu)用有限元法分析整機(jī)動態(tài)性能，他們采用的研究方法各不相同，特別體現(xiàn)在結(jié)合部的處理上，精度有高有低，難度有易有難。我們嘗試了一種新的方法，在pro/E中裝配各種零部件的CAD模型，作為導(dǎo)入專門的前后處理軟件Hypermesh中劃分網(wǎng)格，再導(dǎo)入Ansys中分析，該方法全部在商品化軟件平臺上進(jìn)行。它的優(yōu)點：1、CAD模型從pro/E導(dǎo)入Hypermesh時，可以保證模型完全準(zhǔn)確地導(dǎo)入，不需做任何修改。2、結(jié)合部直接采用軟件中現(xiàn)有單元，可以方便地調(diào)整參數(shù)。國外，機(jī)床結(jié)構(gòu)的動力學(xué)修改和動態(tài)優(yōu)化設(shè)計等方面的研究發(fā)展很快，梁安謙：鋼珠式減振器在銑床模型機(jī)上的減振實驗研究2普通采用有限元法對機(jī)床部件及整體進(jìn)行動態(tài)特性分析，并已用于高速機(jī)床的開發(fā)和研究中。西班牙的M、Zatarain用有限元法對立柱移動式銑床進(jìn)行模態(tài)分析，采用Nastrain和T-deas兩種商用軟件，建立包括床身、立柱、頭架及它們之間的滾動導(dǎo)軌結(jié)合部在內(nèi)的整機(jī)模型，并進(jìn)行了模態(tài)分析，可以通過幾種方案的比較，選擇其中較合理的結(jié)構(gòu)。韓國科學(xué)技術(shù)高級學(xué)院JungDangSuth和DaiHiuLee用有限元法分析高速機(jī)床的主軸外殼的阻尼特性，并用有限元法對高速銑床的滑塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得到一種新型的復(fù)合結(jié)構(gòu)，不僅減輕質(zhì)量，還提高了它的阻尼系數(shù)。1.2振動的危害及其產(chǎn)生的原因機(jī)床振動是不希望產(chǎn)生的。這是由于振動所產(chǎn)生的噪聲可能刺激操作工人，引起疲倦，使其工作效率下降；并且它又可能使機(jī)床零件過早出現(xiàn)疲勞破壞，從而使零件的安全程度、可靠性和強度下降；機(jī)床的振動還會導(dǎo)致被加工工件的表面粗糙度和精度降低，刀具壽命和生產(chǎn)率下降。因此，必須了解機(jī)床振動的規(guī)律，并盡可能加以限制。機(jī)床工作時發(fā)生的振動基本上分為三大類：一是自由振動，二是受迫振動，三是自激振動。1.自由振動，是在系統(tǒng)本身所固有的內(nèi)力作用下發(fā)生的，而不受外力的作用。在自由振動的狀態(tài)下，系統(tǒng)以它的一個或幾個固有頻率振動著，這些固有頻率是動態(tài)系統(tǒng)所具有的特征。自由振動通常是通過地基傳來的沖擊引起的，有時也是由于往復(fù)運動的部件快速反向所引起的。一般來講，多自由度系統(tǒng)的自由振動是包含幾個頻率分量的周期振動。2.受迫振動，即指在外激振力擾動下激發(fā)的振動。例如在車床，銑床和磨床上，常見到迴轉(zhuǎn)主軸系統(tǒng)的受迫振動，其頻率取決于迴轉(zhuǎn)主軸系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速。主要振源有以下這些：（1）地基引起的機(jī)床振動。（2）高速迴轉(zhuǎn)的機(jī)床不平衡部件和工件引起的振動。（3）機(jī)床傳動機(jī)構(gòu)的缺陷所引起的振動。（4）切削過程的間歇特性搜引起的振動。（5）往復(fù)運動的機(jī)床部件2006屆機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文）3的慣性力所引起的振動。3.自激振動，或稱顫振，是刀具和工件之間自發(fā)產(chǎn)生的振蕩，可以根據(jù)其振幅突然增長的特點來加以識別。自激振動是由機(jī)床本身所產(chǎn)生的。通常是由于切削過程的動態(tài)不穩(wěn)定或在導(dǎo)軌上運動質(zhì)量的動態(tài)不穩(wěn)定（爬行）或液壓伺服機(jī)構(gòu)的動態(tài)不穩(wěn)定等原因造成的。發(fā)生自激振動的原因，主要由以下這些（1）切削過程中，由于存在欠阻尼特性而引起初生顫振。（2）前一次在工件表面產(chǎn)生的振紋，將使第二次走刀的切削深度發(fā)生周期性的變化，從而產(chǎn)生交力而加強顫振。（3）由于機(jī)床結(jié)構(gòu)本身特性所引起的機(jī)床顫振。機(jī)床的加工質(zhì)量主要是由靜態(tài)精度和動態(tài)特性決定，在機(jī)床設(shè)計中往往已經(jīng)確定其工作范圍，在機(jī)床的使用中若在這個工作范圍內(nèi)達(dá)不到所需要的加工精度，往往都是由振動引起的，而靜態(tài)精度則是可以通過調(diào)整機(jī)床達(dá)到的，動態(tài)性能在傳統(tǒng)的機(jī)床設(shè)計方法中很難實現(xiàn)，而在現(xiàn)代設(shè)計方法中，即虛擬樣機(jī)技術(shù)則可以通過物理仿真提前對機(jī)床性能進(jìn)行了解。振動對加工的影響主要有：1、工件加工質(zhì)量下降。2、產(chǎn)生大量噪音。3、加工效率下降。4、振動引起工藝系統(tǒng)承受動態(tài)交變載荷，對機(jī)床薄弱環(huán)節(jié)易產(chǎn)生破壞。1.3預(yù)防機(jī)床振動的對策隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，對零部件加工質(zhì)量要求的日益提高，防止和消除機(jī)床的振動已成為迫切需要解決的問題。當(dāng)開動機(jī)床進(jìn)行加工時，由于機(jī)床各運動部分彼此發(fā)生一定規(guī)律的相對運動，因而其摩擦表面上必然有摩擦作用著，機(jī)床回轉(zhuǎn)部分不平衡等因素必將使回轉(zhuǎn)系統(tǒng)受到離心力的作用，切削過程中刀具切入工件的金屬層，將會使整個機(jī)床系統(tǒng)受到切削力作用，這些作用力并非保持常值，有的是周期性變化的；有的可能同系統(tǒng)某些元件的剛度軸線有一定的方位關(guān)系等，這些力在某些條件下會起一定的激振作用，從而使整個機(jī)床系統(tǒng)或其零部件發(fā)生各種類型的振動。一般說來，許多彈性振動部件系統(tǒng)都可背簡化成單自由度振動系統(tǒng)，其梁安謙：鋼珠式減振器在銑床模型機(jī)上的減振實驗研究4振幅的一般表示為：2222114nnPAK（11）式中A表示振幅,P是激振力，K是系統(tǒng)剛度，n是固有頻率，是激振頻率，是阻尼。由此可見，為減少機(jī)床振動的振幅，必須做到：（1）減少激振力P（2）增大系統(tǒng)中的剛度K（3）增大系統(tǒng)的阻尼（4）提高系統(tǒng)的固有頻率n或改變激振頻率，以使兩者遠(yuǎn)離。為了減小振動帶來的種種危害，減小甚至消除振動是很有必要的。主要方法有：1、減少外界振動干擾。2、隔離振源。3、提高機(jī)床加工系統(tǒng)的抗振性、增大系統(tǒng)阻尼。4、使用減振器。5、調(diào)整振源頻率，避免產(chǎn)生共振。一般說來，增強“機(jī)床刀具工件”工藝彈性系統(tǒng)的剛度，是提高工藝系統(tǒng)抗振性從而防止振動的最普遍方法，它在任何情況下可用來防止受迫振動和自激振動，并能消除破壞工作過程平穩(wěn)進(jìn)行的個別沖擊因素的影響。因此，為了提高整個工藝系統(tǒng)的剛度，增強工藝系統(tǒng)各環(huán)節(jié)，特別是切削力傳遞路線上最薄弱環(huán)節(jié)的剛度，顯然是很重要的。當(dāng)減輕零件的重量既不會降低系統(tǒng)的剛度，也不會使系統(tǒng)特性發(fā)生其他不利的變化時，減輕主振系統(tǒng)的質(zhì)量同提高系統(tǒng)剛度的作用一樣，都能提高系統(tǒng)的固有振動頻率，從而減小了振動的振幅，即起了提高系統(tǒng)抗振性的作用。必須指出，增加振動系統(tǒng)的阻尼，例如適當(dāng)調(diào)節(jié)零件某些配合處的間隙，以及采用阻尼消振裝置等，將增強系統(tǒng)對激振能量的耗散作用，從而就能防止和消除振動，保證系統(tǒng)平穩(wěn)的工作。當(dāng)振動發(fā)生以后，減小激發(fā)振動的激振力，即減小受迫振動時的外激振力，或自激振動時的內(nèi)激振力，往往是必2006屆機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文）5須采取的消振措施。對于前者例如可減少回轉(zhuǎn)零件的不平衡度；對于后者則借助于改變切削條件等方法。第2章銑床模型機(jī)的設(shè)計2.1X62W的結(jié)構(gòu)分析X62W型萬能臥式銑床是目前結(jié)構(gòu)比較緊湊，用途比較廣泛的一種銑床。其主要特點是：轉(zhuǎn)速高（最高可達(dá)1500轉(zhuǎn)/分）、功率大（主電動機(jī)功率為7.5kw），剛性好，操作比較方便。工作臺裝有絲杠間隙消除機(jī)構(gòu)，可以進(jìn)行順銑、逆銑以及高速銑削。并且工作臺可以進(jìn)行橫向、縱向、升降三個方向移動，縱向行程可以實現(xiàn)自動循環(huán)和半自動循環(huán)運動。圖（21）X62W銑床X62W銑床可以用圓柱、圓片、角度、成形、端面及棒形等銑刀進(jìn)平面、斜面、溝槽、角度、成形面及切斷等加工。使用分度頭，可用來進(jìn)行花鍵軸、離合器、齒輪及螺旋線等銑削，同時還可用來進(jìn)行鏜孔。由于這種銑床的縱向工作臺能正反扳專450，可以銑削帶螺旋線的工件，如鉆頭、鉸刀、斜齒輪等，也可以給各種刀具開齒，用途比普通銑床廣泛得多。X62W萬能升降臺銑床的主要組成部分及用途如下：梁安謙：鋼珠式減振器在銑床模型機(jī)上的減振實驗研究6(1)床身是機(jī)床的主體，用來安裝和連接機(jī)床的其它部件。床身一般是用優(yōu)質(zhì)灰鑄鐵鑄造成箱形，主軸變速箱即在床身內(nèi)。床身的前壁有供升降臺上下移動的垂直導(dǎo)軌。床身上面有水平導(dǎo)軌，橫梁即在此導(dǎo)軌面上移動。機(jī)床的主電機(jī)裝在床身的后面。(2)橫梁位于床身的上部。利用導(dǎo)軌可以調(diào)整橫梁的伸出長度，并可用床身側(cè)面的螺母將其固定。橫梁的前端裝有掛架，銑刀刀桿的一端與主軸孔相連，另一端則裝在掛架上的孔中。在加工大型工件時，可加裝特種支架支持橫梁，以增加其剛性，減少切削時的振動。(3)支承架支承架懸掛在橫梁上，用來支承刀軸，以免在銑削時刀軸發(fā)生振動和彎曲。有進(jìn)給電動機(jī)，進(jìn)給變速箱和進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu)等一套完整的進(jìn)給系統(tǒng)。進(jìn)給變速箱：進(jìn)給變速箱主要用來改變工作臺和升降的進(jìn)給速度。(4)刀軸刀軸也稱為刀桿。用刀軸來安裝銑刀，它的一端為錐柄，緊固在主軸錐孔中，另一端由橫梁上懸掛的支承架支承。(5)主軸主軸用來安裝、緊固銑刀軸并帶動銑刀旋轉(zhuǎn)，它與主軸變速機(jī)構(gòu)、主電機(jī)一起組成銑床的主傳動系統(tǒng)。(6)底座底座用來盛冷卻潤滑液，支承床身并承受機(jī)床全部重量。2.2模型機(jī)設(shè)計說明本實驗主要是進(jìn)行減振研究，為了簡便起見，用模型機(jī)代替X62W銑床進(jìn)行。在體現(xiàn)出實際臥式銑床主要結(jié)構(gòu)特點后，大部分的機(jī)構(gòu)被忽略，且模型機(jī)的設(shè)計不是本論文的重點，所以設(shè)計說明簡單介紹。模型機(jī)外觀如圖（22）所示：2006屆機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文）7圖（22）模型機(jī)的外觀模型機(jī)的外部結(jié)構(gòu)主要由減振槽、立柱、底座、掛架幾部分組成。減振槽是模型機(jī)中重要的部分，與立柱、掛架連接，是由鋼板焊接成的三個開口槽，在減振實驗中用于放置可以增加阻尼的鋼球。減振槽的懸臂端是模型機(jī)柔性最大的地方，用以安裝激振器和加速度傳感