卧式五轴数控机床电主轴的动态特性分析及振动抑制优化

针对某卧式五轴数控加工中心电主轴动态特性较差、测试过程中振动量大的问题,对其建立动力学模型,利用Ansys Workbench对其进行模态分析,解得固有频率及模态振型。基于仿真结果及电主轴结构原理,诊断为电主轴后端悬伸量较大,外部连接法兰与主轴后轴承盖及冷却水套间隙量较大,导致机床固有频率低,动态特性差。针对上述原因对电主轴后端悬伸部增加辅助支撑优化设计,进行模态仿真分析,通过优化前后固有频率及临界转速数据对比验证其可行性。将优化设计应用于实际,并对电主轴进行振动测试,试验表明:电主轴振动量大幅减小,优化设计合理。研究结果为卧式五轴数控机床电主轴系统动态特性的改善,提供了优化思路和设计方法。

细长杆零件加工的研究

细长杆零件在机械加工中较为常见,该类零件的加工难点在于刚性差,加工容易出现颤振及变形,很难保证零件的加工精度,其中径向切削力所导致的细长轴弯曲形变问题最大,会使工件产生弹性弯曲引起振动,从而影响加工过程的正常进行。为此,分析了细长杆零件在加工过程中产生弯曲变形的原因,研究了切削参数、刀具几何参数、数控程序、递减车削方式与分阶段加工等途径,探索出行之有效的细长杆类零件加工方法。通过采用双刀塔同时加工使径向力相互抵消,工件受力变形和振动小;切削用量中背吃刀量影响细长杆变形因素较大,采用直径加工递减分层车削方法,配合适当的进给率,减少了切削变形;由于细长杆刚性差,粗加工时由于工件的振动导致刀具的损坏,为提高工件刚性采用分阶段加工提高工件刚性,从增强刀尖抗磨能力、降低摩擦力、提高加工效率、控制工件变形量等方面做了系统的研究与实践。该方法在加工各种规格的细长杆得到了验证,有效地解决了工件变形、刚性差等难题,极大地提升了工件的几何精度和尺寸精度,对同类细长杆零件加工提供了参考。

硬质合金微型钻头固有频率研究及应用

分别利用实验、模拟和计算三种方法对微型钻头的固有频率进行分析,制备了不同直径及长度的未加工螺旋槽棒料和已加工螺旋槽产品,进行固有频率测试并分析不同规格棒料、产品之间频率的差异。根据实验结果总结了微型钻头一阶固有频率的经验公式,与棒料的模拟频率进行对比。结果表明:实验、模拟、计算三种方法表现出较好的一致性,微型钻头的固有频率与直径和长度有较明显的对应关系。针对钻径≤0.4mm、长径比>20的微型钻头,在微型钻头入钻前用经验公式可以较快地计算出微型钻头的固有频率;模拟方法可以较准确地求得微型钻头的多阶固有频率,方便进行共振分析;微型钻头钻孔过程中固有频率随着钻削深度的增加逐渐增大。

刀具主偏角对镍基高温合金的车削颤振的影响分析

GH4169镍基高温合金材料具有硬度大、耐高温以及耐腐蚀等特点,为避免车削加工过程中刀具与工件之间发生的颤振影响加工后表面质量,本文基于待加工件的特点建立外圆车削刀—工系统动力学模型并进行稳定性分析。结果表明,刀具主偏角约93°时可以得到表面质量较好的GH4169镍基高温合金。该项研究可以为加工类似高温合金等较大硬度材料以及加工时易发生颤振材料的刀具主偏角选择提供依据。

机械加工中的振动与控制研究

机械加工过程中的振动是一种常见的广泛存在的加工现象。其产生的原因及机理复杂多样,对加工质量和效率具有非常显著的负向影响,是影响加工精度和表面质量以及阻碍制造业快速发展的重要因素之一。在探讨加工振动产生原因、振动对加工的影响以及传统解决方案的基础上,提出了一种基于神经网络的机械加工振动控制系统设计方案,以提高加工振动抑制效果。通过实验验证,该方法相比传统方法具有更高的控制精度和更好的鲁棒性,能够有效提高产品质量和生产效率。

内置动力吸振器的宽频减振车刀设计及试验

航空结构件中存在大量深孔特征,在加工时需要使用大长径比车刀。随着悬长增加,刀具刚性急剧下降,易引发强烈切削振动,严重制约了加工效率和加工精度的提高。在采用连续梁理论对刀杆进行动力学建模的基础上,研究了刀杆与吸振器耦合系统频响函数预测方法,进而实现考虑主结构背景模态的动力吸振器参数精确优化;结合工程实际,设计内置动力吸振器的宽频减振车刀,通过齿轮齿条机构实现车刀频率大范围调节,满足不同长径比加工需求。模态试验表明,内置吸振器频率调节范围为365~442 Hz;减振车刀动刚度提高了104.1%和120.3%,阻尼比提高了143.5%和175.6%。切削试验显示加工噪声幅值、加速度幅值平均下降42%,38%。

铍铜合金铣削过程刀具黏附现象对切削颤振影响分析

为了满足高精密铍铜件表面的加工要求,研究刀具表面黏附过程对切削系统和已加工表面的影响,有利于提高加工质量和加工效率。通过建立二自由度切削颤振系统,结合工件材料特性、黏结过程和断续切削过程,采用单因素高速铣削实验方法,解析刀具损伤、切削颤振和已加工表面的内在联系,并通过电镜扫描和白光干涉对刀具表面和已加工表面进行对比分析。切削速度和黏附程度的差异性,极大地影响了切削过程的稳定性,导致已加工表面缺陷的产生。不同黏附环境往往导致了不同的切削状态,尤其是高黏附率环境下的刀具表面黏附有利于维持切削刃形态和减缓加工颤振现象。

铝合金建筑型材圆锯片锯切振动特性分析

在铝合金建筑型材圆锯片切削过程中,型材因受到圆锯片周期性冲击而产生振动和噪声,严重影响了加工效率以及加工质量。设计圆锯片锯切铝合金建筑型材单因素实验,研究不同进给速度下铝合金建筑型材的锯切振动特性。时域分析结果显示,振动信号会随着锯切位置的变化呈现出明显的分段特性,振动最剧烈阶段的振动加速度峰值是振动最平稳阶段的3倍以上,说明以横向翼板类结构为代表的典型型材结构会对振动信号产生显著影响。通过频谱分析,型材锯切振动的峰值频率与圆锯片转动频率不存在倍数关系,说明转动频率不是影响型材锯切振动的主要因素,并且振动能量会随着进给速度的提高逐渐由低频处向高频处转移。随着进给速度由25.0 mm/s提高到75.0 mm/s,进给方向振动加速度的峰值由1669.91 m/s2逐渐增大至2001.59 m/s2,提高了19.86%;垂直进给方向振动加速度的峰值由932.52 m/s2逐渐增大至1097.30 m/s2,提高了17.67%。结果表明:铝合金建筑型材的各种组成结构对圆锯片锯切振动的影响远大于进给速度对其产生的影响。

基于动平衡的电机轴质量定心系统研究

提出基于动平衡理论的质量定心系统。以双面动平衡法测算电机轴不平衡量,以质量定心原理建立不平衡量与质心偏移量的关系,通过解算得到质心偏移量,数据通过TCP/IP网络通信发送给可编程逻辑控制器PLC控制加工中心去重加工。结果表明,电机轴经过质量定心系统去重后,剩余不平衡量达到0.04~0.06 g,与有质量定心机的质量定心系统相比,该系统成本更低,数据传输距离远,传输干扰小,数据更准确。

多向约束金属丝网隔振装置研究

通过分析设备的应用环境,设计了一套上、下安装面分别布置有受拉、受压隔振器,左右两侧布置有缓冲器的具有缓冲功能的多向约束金属丝网隔振装置。进行了动力学和响应谱分析,确定隔振装置的频率设计范围,计算出隔振装置所需的刚度,对隔振器和缓冲器进行静态试验和正弦扫频试验,通过试验验证设计的准确性。

数控机床热误差的时序分析法建模及其应用

提出了采用时间序列分析法进行机床热误差建模的基本原理及方法,及其在数控机床热误差补偿建模中的应用。利用实测的热误差序列进行时序分析识模、建模和预报。再通过由微机结合机床控制器构成的补偿系统,利用所建立的时序分析模型,经过微机算出补偿值并送入机床控制器对刀架进行附加进给运动完成实时补偿。实验结果表明,可将工件的尺寸变化从原来的25μm以上降到10μm以内,大幅度提高了机床的加工精度,从而论证了时序分析法在数控机床热误差建模应用中的可行性与有效性。

大型数控滚齿机立柱动力学仿真分析

为避免大型数控滚齿机滚削力引起立柱振动而影响加工精度,对大型滚齿机立柱刚度特性及谐响应进行了仿真分析。在滚齿机立柱结构特征、滚刀主轴传动原理及动力学理论基础上,建立了滚齿机立柱与滚刀箱有限元仿真模型,仿真求解得到了立柱模态及谐响应参数。通过立柱动态响应的振动频率与变形量分析,得到了滚齿机加工时立柱设计结构应避开的共振频率范围,揭示了立柱振动变形量的变化规律,提出了立柱结构设计与安装方法的改进建议,为大型数控滚齿机部件的设计优化提供了理论依据与参考。

面向车削颤振抑制的多重阻尼器优化设计

在相同质量比下,多重阻尼器相对单阻尼器具有抑振频带更宽及效果更佳等一系列优点。以往针对阻尼器的参数优化大多采取H∞或H2方法,即最小化主结构振动幅值的最大值或有效值。然而机床加工中发生的颤振是一种特殊的自激振动;对车削而言,无颤振的临界切深仅由刀具-工件相对频响函数的负实部决定。通过应用多重阻尼器于机械加工中再生颤振的抑制,研究以获取最大稳定无颤振切深为目的阻尼器设计优化路线。在建立多重阻尼器抑制主结构目标函数,即最大化刀尖频响函数负实部最小值的基础上,构造minimax方法对多重阻尼器的刚度及阻尼进行优化。以抑制车床夹具某一主模态为例,结合实验模态分析,采用该方法调制阻尼器,并和以往的优化方法进行对比。切削实验表明,该优化方法能进一步提升多重阻尼器的颤振抑制性能;相对H∞优化方法,该方法可提高无颤振临界切深52%。

一种剪切式磁流变车削减振器的设计与减振试验

将智能材料——磁流变液应用于外圆车削振动控制的研究中。针对普通CA6140车床的结构,通过结构设计、磁路设计研制了一种剪切模式的磁流变车削减振器。建立了基于磁流变减振器的车削系统动力学模型,并通过仿真验证了减振效果。利用有限元法对减振器的磁路进行了优化,优化后磁路面积相对初始设计减小24%,使减振器结构更紧凑,且磁场在非磁流变区域的损耗减小,从而提高了减振器的工作效率。建立外圆车削减振试验系统来对磁流变减振器的减振效果进行试验研究,结果表明减振器可以对车削振动进行有效地控制。

高速加工中速度前瞻控制新算法研究

为了避免在高速加工中高曲率轮廓导致的工件过切和机床的异常振动,提出了一种实时的速度前瞻软件控制新算法.该算法基于S型加减速方案,通过采用三次样条曲线拟合对离散加工路径的分析发现高曲率点,根据加减速特性预估高曲率点处的最优速度,最后对加工路径施加相应的运动学曲线规划,实现了加工速度自适应于加工路径的变化.应用该算法使得加工速度变化平稳,较之传统控制方法大大提高了加工效率.

灰色系统理论在机床热误差测点优化中的应用

针对影响机床加工热误差建模的机床温度场分布问题,借用灰色系统理论的关联度分析方法,对热传感器在机床上的优化布点进行了研究,从原先的16个温度测点减少到仅使用其中的4个关键温度进行热误差建模,从而可以较简便的分析所研究机床的热误差,提高了热误差建模的鲁棒性。

细长轴车削加工的振动及其补偿控制

从振动的角度对细长轴车削时变形情况进行了分析,得出了细长轴车削时的简化受力模型,并在此基础上对细长轴的3种常见振动作了简要理论介绍.通过有限元法仿真了细长轴振动的模态,对比改进前后的细长轴的一阶振型,从理论上证实了使用浮动跟刀架能有效地补偿控制振动以减少径向振型的振幅,从而明显地减小了细长轴的加工误差.

基于电流变效应的车削颤振预报控制技术的研究

将电流变减振技术引入机床切削系统,研制了车床横刀架电流变液减振器。通过流变学动态模量测试方法,求得了该系统的附加阻尼和附加刚度,并对该系统振动响应特性进行了理论分析。研制开发了基于电流变效应的车削颤振预报控制系统。预报控制试验结果表明,利用该系统可以对机床切削颤振实施有效的预报控制。

精镗孔时液膜阻尼减振效果的研究

在精镗孔加工中采用挤压液膜阻尼技术。静态激振试验、动态试验和现场切削试验的结果表明 ,挤压液膜阻尼器在精镗孔加工中能够明显改善加工条件 ,提高精密孔加工质量。同时 ,通过试验确定了精镗孔挤压液膜阻尼器部分结构参数 ,为阻尼器的优化设计提供了重要依据。

正交车铣铝合金薄壁回转体振动信号的试验分析

在MAZAK机床上正交车铣薄壁铝合金试件,压电加速度传感器安装在内壁上,通过PCI-1712高速数据采集卡采集薄壁的振动信号。利用MATLAB强大的信号处理功能对采集的加速度信号进行分析,振动信号的时域标识了振动幅值大小,功率谱显示了薄壁振动信号的频率构成和能量分布。分析了自激振动的频率随刀具转速和壁厚变化的趋势,给出了工艺系统发生颤振时的主频率。然后利用小波包处理信号的优势将剧烈颤振加速度信号进行小波包分解,根据能量和频段分布进行节点信号重构,得到小波包滤波后的颤振信号。为了了解车铣切削力在剧烈颤振前后变化情况,应用小波包分解并重构出颤振前后3种不同刀具转速时强迫振动信号,对比发现剧烈颤振时强迫振动的当量电压幅值增大,振动加强,这从侧面反映了正交车铣切削力的大小和变化。此振动分析对正交车铣薄壁零件有一定的指导意义。