专用外螺纹加工旋风铣床床身动态特性研究

何云峰

（广西工学院 机械系，柳州 545006）

旋风铣床主要是用于高效切削螺纹的一种工艺装备，适合用于大批量螺纹加工，但是由于切削深度较大，在切削过程中承受着强烈的载荷，振动噪音较大，如果振动幅度过大，会产生崩刀和在加工表面留下振纹，影响加工品质。为了提高刀具的使用寿命和工件的加工精度，因此在设计旋风铣机床时，有必要对其振动特性进行分析，了解其固有频率和模态振型，使机床在工作时尽量避开固有频率，从而避开共振。

模态分析是结构动态设计、振动控制、人体健康监测与故障诊断的基础，广泛应用机械、建筑、航空航天、船舶、汽车、医疗仪器等复杂结构的系统动态分析。

1 模态分析的基本理论

模态分析技术发展至今，已经有40多年的历史。模态分析是将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标，变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。在模态分析时，只考虑固有频率、振型等参数有关的量，施加在模型上的力、压力、加速度等荷载将被忽略。

模态参数包括固有频率、阻尼系数、模态振型等，这些模态参数可以完整地描述结构的动力学特性。对于一个N自由度的振动结构，其运动微分方程可以表示为

其中，

[M]、[C]、[K]、{f（t）}、{x（t）}分别为质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵、力向量和响应向量，结构固有特性可以由一组模态参数定量描述，主要是固有频率和模态振型。由于固有特性与外载荷无关，且阻尼对结构的固有频率和振型影响不大，因此可通过结构无阻尼自由振动方程计算固有特性，由式（1）可知：

式（2）的解为

X为振幅列阵，ω为系统的固有频率，θ为初相位，将式（3）代入式（2），得

要保证上式有零解的条件是

2 CAD模型的建立

本文利用UG4.0软件对旋风铣机床进行三维建模，虚拟装配，然后利用ANSYS Workbench提供的与UG的接口功能，将UG中建立的实体模型导入到ANSYS Workbench中，从而建立机床的有限元模型。具体操作是建成后点击Geometry-from file，在Type项选中（.xt），然后点击打开。旋风铣床身简化后的模型见图1。

图1 旋风铣床身简化后的模型

图2 旋风铣床身的网格模型

3 有限元法模态分析

将机床的简化模型导入ANSYS Workbench中，对其进行有限元模态分析。

（1）材料属性参数设置。本文根据旋风铣床的出厂材料定义模型的材料属性参数，灰铸铁，其相关材料参数为：

杨氏模量2e5MPa；

泊松比0.3；

材料密度7.85e-6kg/mm3。

（2）添加约束。约束为固定床身的底部。

（3）划分网格。模型的网格划分，就是对机床模型进行离散成单元和节点的过程。网格划分成功与否或精细程度，都会直接影响到有限元分析的结果，但网格划分对于模态分析影响并不大。所以在这里我们使用自动划分这种方式对床身进行网格划分，共划分：Nodes 26 186 Elements 12 893。旋风铣床身的网格模型见图2。

（4）模态分析。在Ansys Workbench中添加Frequent finder工具，定义模态分析分析阶数为5阶，进行有限元分析，得到旋风铣床床身的前5阶振型分别为中部上下左右振动、中部扭动、中部上下振动、小头与中部左右扭动、中间上下振动和两头振动（详见图3～图7）。

图3 旋风铣床身的第一阶约束模态206.68Hz

图4 旋风铣床身的第二阶约束模态315.05Hz

图5 旋风铣床身的第三阶约束模态341.83Hz

图6 旋风铣床身的第四阶约束模态423.67Hz

图7 旋风铣床身的第五阶约束模态458.33Hz

由于旋风铣头安装在床身床鞍上，并由固定在其上的电机来拖动，切削时必然受到电机和旋风铣头的激振作用，当激振频率与床身的固有频率相接近时，将产生剧烈的共振现象，在设计中尽量避免由于共振而引起机床加工精度降低现象，该旋风铣铣刀有关参数为：

转速n=400 r/min；

工件进给量V=7.2 mm/min；

左切深铣刀齿数Z左=26。

则左旋风铣头脉动激振频率

f左=nz左/60=400×26/60=173.3 Hz

从图中的数据可以看出，床身各阶的频率都比旋风铣头的频率要高，说明了旋风铣头的激振频率不会引起床身的共振。

4 结束语

从模态分析结果可知，床身的的中部是其薄弱环节。通过改善床身的结构，可以有效地提高床身的刚度，进而提高其动态性能。

通过大型有限元分析软件，可以提前知道设计的薄弱处，发现问题，及时消除隐患，既可以节省人力和物力，又能缩短产品的开发周期，在动态设计中是非常重要的手段。为了避免床身与其他零件发生共振现象，应使外界激励响应的频率避开床身的固有频率，一般的情况下，主要看最低阶部分的频率，它是机床系统最有可能引起机床共振的，对该频率下的系统振动情况加以研究，就显得格外重要。

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