機床結構優(yōu)化和加工特性分析研究現(xiàn)狀
世界上第一臺精工銑床制造于1952年，隨著制造工藝和計算機精工技術的發(fā)展， 機床的加工精度不斷被提高。90年代以來，普通級的精工加工機床的加工精度己經(jīng)從原 來的10pm提升到5pm，超精密機床的加工精度甚至進入到納米級水平。盡管機床的加 工精度達到了相當?shù)乃?，但是機床加工精度的穩(wěn)定性問題一直是個非常棘手的問題， 特別是對于批量生產(chǎn)所使用生產(chǎn)線中的機床來說，機床的精度穩(wěn)定性至關重要。從機床的誤差源分析（圖1.5)可以看出，影響機床精度的因素有很多，最初的結構 設計，原材料及其加工和零部件裝配，關鍵零部件如進給傳動系統(tǒng)滾珠絲杠、直線導軌 包括軸承的傳動誤差（一般由于間隙過大、剛性不夠引起），切削加工過程中的切削參 數(shù)、切削載荷變化，冷卻、散熱、潤滑后期維護等都對機床的精度有影響作用。就保證機床的精度穩(wěn)定性來說，主要有誤差防止和誤差補償兩種基本方法。前者屬 于事前預防型的“硬”技術，包括在機床的整個設計和制造過程中的如機床各個部件的 結構優(yōu)化、裝配技術、制造工藝等，另外控制機床的工作環(huán)境如冷卻、潤滑、配備恒溫 車間等也是防止誤差的途徑。誤差防止技術是保證機床精度穩(wěn)定性的基礎，但是隨著精 度的不斷提高，達到一定程度后再提髙精度會比較困難，即收獲與付出的性價比會很低， 這是限制其使用的一個缺點[2]。后者誤差補償方法屬于“軟技術”，即通過人為的制造 出一種反向誤差來抵消現(xiàn)有誤差，最終提高零件的加工精度[3]。本文從誤差防止的技術范疇考慮，由于機床結構的頻率特性和切削過程中的動態(tài)特 性與機床的加工性能關系較為密切，也是保證機床加工過程中的精度穩(wěn)定性的基礎。故 選擇機床機構方面如加工中心的動、靜態(tài)特性分析和結構優(yōu)化以及加工方面如切削過程 中的穩(wěn)定性保證兩方面來研究加工中心的精度穩(wěn)定性保證技術。1.3.1機床結構分析與優(yōu)化為了達到減少生產(chǎn)費用和適應實現(xiàn)多工業(yè)加工需要，現(xiàn)代機床都是利用模塊設計理 念設計制造的[5]。如下圖所示，精工加工中心一般由6個模塊組成，即底座（床身）、 滑體、工作臺、立柱、刀庫和一個帶主軸單元的主軸箱。就像人身體中的骨骼一樣，機床結構為其所有部件提供機械支持，結構的剛度、阻 尼和配置形式等因素影響著機床的精度穩(wěn)定性能力[6]。在對機床進行靜動態(tài)分析和結構優(yōu)化之前，首先要做的一項工作是機床系統(tǒng)的建 模，而要想建立比較準確的機床分析模型又要選擇合理的建模方法。目前國內外應用比 較廣泛的機床建模方法主要包括傳遞矩陣法、均質梁法、集中參數(shù)法與有限元方法等其中，隨著計算機技術的迅速發(fā)展和計算速度的大幅度提高，計算有限元分析方法 在機床的研發(fā)過程中起到越來越大的作用。通過對結構進行靜動態(tài)特性分析，可以在樣 機制作前得到一個接近實際情況的仿真結果，預估機床結構的特性，分析并改進其薄弱 環(huán)節(jié)。同時可以對比多種不同的設計方案，節(jié)省人力物力，加快產(chǎn)品設計周期。通過結 構優(yōu)化技術，如拓撲優(yōu)化和尺寸優(yōu)化，可以使機械結構的性能在規(guī)定的約束條件下達到 一個最優(yōu)值，為進一步的改進設計和樣機制造提供借鑒和支持。(1)結構靜動態(tài)性能分析機床的靜動態(tài)分析主要包括靜力分析、動力學分析、熱分析等，其中動態(tài)分析有分 模態(tài)分析、諧響應分析和瞬態(tài)動力學分析等。靜力分析[12]通過將機床加工過程的力轉化為相應的靜態(tài)力施加在機床結構上，來分 析其應力和應變。模態(tài)分析是動力學分析的基礎，在實際結構設計中結構模態(tài)是考 慮比較的因素，通過此分析，可以獲得對機床整機或者其零部件影響比較大的前幾階模 態(tài)，避免機床在實際加工中引起整機或者零部件的振動。諧響應分析[15]是通過對所分析 件施加周期性的載荷在查看其動態(tài)響應的分析。_ HermansM等使用運行模態(tài)分析方法進行了模態(tài)參數(shù)識別，并對比了自然激勵法、 平衡實現(xiàn)和直交變值分析法在工業(yè)分析中的應用。劉軍[17]等使用改進的錘擊法，對車身 進行了模態(tài)分析，結果表明試驗模態(tài)的改進有一定效果。(2)結構優(yōu)化技術根據(jù)不同設計階段的優(yōu)化需要，可以將結構優(yōu)化技術分為四種，尺寸優(yōu)化（圖1.6-a) 的設計變量是結構的尺寸參數(shù)；形狀優(yōu)化（圖1.6-b)是在結構拓撲關系不變的前提下 優(yōu)化結構比如孔等的邊界和幾何形狀；拓撲優(yōu)化（圖1.6-c)主要是優(yōu)化材料的分布，屬 于概念設計的范疇；形貌優(yōu)化主要用于板類結構加強肋的強度優(yōu)化。在優(yōu)化設計方面，Vance[18]等利用虛擬現(xiàn)實技術，構建了機床的有限元模型，并進 行了結構優(yōu)化，為整機優(yōu)化提供相關參考。Kang Y[19]等基于靜動態(tài)分析性能對比闡述了 系統(tǒng)優(yōu)化設計的CAE方法。Kim%等人利用神經(jīng)學習方法對機床主軸系統(tǒng)進行了參數(shù) 優(yōu)化。張學玲t(yī)21』等利用有限元技術對機床的床身結構進行了優(yōu)化設計。劉漢昕[22]等基于 做的模態(tài)測試，對機床的關鍵部件立柱進行了優(yōu)化設計。由于筋板在機床結構中的布置 形式對于機床的靜動態(tài)性能有相當大的影響[23]，陳生華通過對立柱內部的筋板進行布局 和厚度的優(yōu)化，研究了兩者對于立柱靜動態(tài)性能的影響。響應面法[24]是一種采用實驗設計理論對指定的設計點集合進行試驗，得到目標函數(shù) 和約束函數(shù)的響應面模型，來預測非試驗點的響應值的方法。Wang GG[251等基于拉丁 超立方試驗，對自適應的響應面法進行了研究。于海蓮[26\姜衡[27]等分別基于響應面方 法，利用多目標遺傳算法對機床立柱進行了優(yōu)化設計。1.3.2機床加工特性分析加工中心主要完成發(fā)動機缸體的銑面加工和孔加工，表面質量要求較高不允許有振 紋產(chǎn)生，孔的加工對尺寸、形位等精度要求也較高，因此本文重點就此兩點進行分析。對于制造商和機床操作師來說，切削刀具的振動是他們最關心的問題之一。切削顫 振會嚴重影響加工質量，降低表面粗糙度，導致切削振紋的產(chǎn)生（圖1.7)，在一些對 表面質量要求較高的加工場合下，這是必須要避免的。由于精度的降低、刀具壽命的變 短以及工件的損壞，顫振還會極大的限制加工效率。利用主動或者被動的阻尼設備、選擇合適的主軸旋轉速度和切削深度等方法，可以 有效的抑制顫振的發(fā)生[28]。后者也即通過選擇合適的切削參數(shù)，來避免顫振的發(fā)生，一 般是利用傳統(tǒng)的分析顫振模型，通過給定刀具-工件組合和切削條件，繪制穩(wěn)定性葉瓣 圖來顯示出穩(wěn)定區(qū)和非穩(wěn)定區(qū)的邊界線，從而指導切削參數(shù)的選擇。根據(jù)顫振發(fā)生的不同機理解釋，可以將顫振分為三種不同的類型。第一種認為顫振 是由于切削過程中刀具與工件之間的摩擦造成的，即摩擦型顫振[29][3()][31];第二種認為由 于模態(tài)耦合效應才造成了顫振的發(fā)生[32][33][34];其三認為顫振是由于切削過程中的再生效 應造成的。在早期的穩(wěn)定性預測模型的研究和建立當中，Tlusty[32][35]，Tobias%和0Ptiz[37]完成 了一些開創(chuàng)性的工作。Altintas和Budak[38]針對銑削加工提出了一種兩自由度的顫振分 析模型，并且在頻域范圍內解決了一個本征值方程。這些模型均基于系統(tǒng)動力特性和切 削系數(shù)為常數(shù)值并且時不變的假定，顯然，在實際情況中不是這樣的。再生性顫振是自激振動的多種類型當中最普遍的一種，故這里主要來研究再生型顫 振^ R.S.Hahn[39]首先于1954針對磨削加工提出了振紋再生理論，將其用在銑削加工中 解釋如下：即刀具的振動會導致加工工件上產(chǎn)生振紋，下一個刀齒切削時會碰到這些振 紋同時自身也會產(chǎn)生振紋，由于這兩種振紋的相位差，會造成切削厚度&以及切削力的 變化，當辦超過一定水平后，這種再生效應就會成為主導，進而導致顫振的發(fā)生。也就 是說切屑厚度的震蕩變化（即切削厚度變化效應），導致顫振的發(fā)生。因此可以通過構建切削深度關于主軸轉速的函數(shù)，進而繪制圖形來描述切削過程的 穩(wěn)定與否（也就是顫振發(fā)生與否），這種圖形就是穩(wěn)定性葉瓣圖_ (Stability Lobe Diagram, SLD)。如下圖所示：圖中，曲線下方的區(qū)域如A、C兩點所在位置是理論上的不發(fā)生顫振區(qū)，曲線上方 的區(qū)域如B點是顫振區(qū)域。由圖可以看出，在高速加工時，加工阻尼的穩(wěn)定性效果減小 使得加工更易產(chǎn)生顫振，圖上表現(xiàn)出的是高速時的穩(wěn)定區(qū)域較小?；跁r間、成本和準 確性的標準下，利用葉瓣圖可以幫助我們選擇******的參數(shù)。劉安民[41]等研究了在高速統(tǒng)削情況下，顫振的診斷問題和預報。石莉[42]等基于小波 理論，對動態(tài)銑削力進行了研究，并預報了銑削顫振。張臣[43辱，通過仿真分析得到的 數(shù)據(jù)，對銑削加工進行了參數(shù)優(yōu)化。在國外，Gagnol^等基于模態(tài)分析對高速主軸進行了顫振穩(wěn)定性預測。Kivanc[45] 等對端面銑削進行了結構建模，并對成形誤差和穩(wěn)定性進行了預測。SChmitz【46]等利用 統(tǒng)計學方法，基于同步聲信號采集，對顫振進行了識別。1.4論文主要完成工作本文基于課題的研究內容，針對MDH80臥式加工中心，從結構分析優(yōu)化和加工特 性分析兩個大的方面對其研究分析，具體工作如下：(1)加工中心的靜動態(tài)特性分析對臥式加工中心進行結構分析和受力分析，然后結合實際工況單獨對立柱進行靜力 分析和有限元模態(tài)分析（包括自由模態(tài)分析和約束模態(tài)分析），之后利用錘擊模態(tài)試驗 對立柱進行試驗模態(tài)分析，得出低階模態(tài)固有頻率與有限元自由模態(tài)分析的結果進行對 比分析。(2)加工中心的結構優(yōu)化設計在結構優(yōu)化方面，以立柱為典型對其進行基于密度法的拓撲優(yōu)化，得到立柱的三維 概念模型。構建立柱結構內筋板參數(shù)化模型，然后對筋板相關尺寸進行基于響應面法的 尺寸優(yōu)化得到具有高剛度和輕量化特點的立柱結構，最后進行相關對比分析，為結構的 改進提供參考。(3)加工中心的切削穩(wěn)定性技術針對工序OP100.2所用加工中心的加工內容，研究刀具銑削顫振穩(wěn)定域分析葉瓣圖 的構建，對所用銑刀進行刀具模態(tài)實驗得到刀具的固有頻率、剛度和阻尼比?；贒eform 有限元軟件對該銑刀進行銑削力仿真實驗得到相應的銑削力系數(shù)?；谀B(tài)實驗和銑削 力仿真實驗得到的結果，構建銑削加工的穩(wěn)定域葉瓣圖，為切削參數(shù)的選擇提供參考。(4)加工中心的精度穩(wěn)定性評估研究CU分析理論在機器能力評價中的應用，對工序OP100.2的加工中心進行Cmk 分析。連續(xù)加工25個缸體工件，使用高精度三坐標測量儀對相關加工內容進行測量， 獲得精度數(shù)據(jù)后對數(shù)據(jù)進行分析，得到該加工中心的Cmk值，來對加工中心的精度穩(wěn)定 性進行評估。
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