机床动态特性研究与优化

刘翠煜， 钟建琳

（北京信息科技大学 机电工程学院，北京 100192）

0 引言

加工精度是金属切削加工中评价零件是否合格的重要指标。机床的动态性能对其加工精度和加工效率都有直接的影响。性能不足往往会导致关键部件加工过程中产生变形，引起机床振动，导致切削不稳定，直接影响产品的加工质量和生产安全，尤其是在高速切削加工过程中，机床各结构部件必须具有良好的动态特性。

1 机床动态特性研究内容及方法

机床性能在很大程度上取决于其动静态特性，它直接决定了加工中心强度、刚度、动态性能、加工稳定性和精度等性能指标。

机床的动态特性是指机床系统在振动状态下的特性，即机床在一定激振力下振幅和相位随激振频率而变化的特性［1］。

机床动态特性的研究主要涉及机床的4个方面：1）机床本体结构的动态性能分析；2）机床传动部件的动态性能分析；3）机床结合部面的动态性能分析；4）机床旋转部件的动态性能分析。随着资源化和绿色化理念的不断深入，以及用户的迫切性需求，现阶段使用最为广泛的分析方法是模态试验与动力学仿真相结合的方法，能够有效地实现机床性能的优化。

2 机床薄弱环节的研究与优化设计

机床是由床身、立柱、主轴箱和主轴等关键部件以及其它零部件组成的一个复杂整体，零部件的动态特性直接决定了整机的性能。因此，提高薄弱环节零部件的性能可以有效地提高机床整体性能。目前研究的主要方向是通过设计优化，改变机床零部件的结构或尺寸以达到增大刚度提高其固有频率，或利用阻尼器增大系统阻尼的目的。

颤振的出现是机械系统动态特性不足的明显表现，减少加工中的颤振现象可有效地改善刀具与工件间的位置关系，减小工件变形，提高工件的加工质量。D.eaBarrenetx等［2］提出了CWSV方法，可避免不同机加工过程中的颤振不稳定性；Janez Gradisek等［3］提出基于信息熵和CIR指标的颤振检测方法；L.Andolfatto［4］等则研究了机床动态误差的来源。

立柱和横梁是支撑刀具运动的主要承载部件，刀具运动导致立柱和横梁受力变化，刚度不足的情况下会导致变形。康方等［5］重点分析了机床立柱的动态特性，选择用封闭式三角形的加强筋形式的内侧加强筋立柱，确保机床具有稳定、强韧的基础；孙明楠等［6］采用基于Armijo搜索准则的拟牛顿BFGS算法对结合部动力学参数进行优化计算，以优化其各阶模态频率和阻尼比；赵海霞等［7］在立柱外形尺寸不变的条件下，对立柱内部筋板结构和布局作相应修改，并在立柱内部设计了斜支撑形式的筋板；李明等［8］认为横梁及其上滑枕是主要的薄弱环节，通过在横梁内部增加竖筋，减少滑枕两侧圆孔提高其刚度；赵海霞等［7］为提高横梁抗扭刚度，采用对角筋板抗扭理论，将横梁内部的纵向的筋板改为了双X型，筋板布置角应尽量与水平面成45°和135°；另外，为加强x、y平面方向上的弯曲刚度，在横梁内部设计了一对斜支撑形式的筋板。

研究表明，机床振动的60%来自于结合面，机床静刚度的30%～50%以及阻尼的90%以上均取决于结合面。目前，国内外针对结合面的研究集中于建立其理论等效模型以期获得更符合需求的联结性能。Sun-Min Kim、F Orynski等［9］提出了通过弹簧阻尼单元模拟结合面的经典方法；黄玉美、张学良等［10］提出了用 8节点单元模拟结合面；田红亮［11］提出一种可直接计算虚拟材料参数的方法，该方法根据连接面的一些参数直接计算虚拟材料的弹性模量、泊松比和密度，从而进行动力学仿真；王书亭等［12］分形接触M-B模型，并建立了描述结合面特性的虚拟材料模型；李奎等［13］则从研究机床结合面参数入手进行研究。

同时，机床的床身承载了机床的所有运动部件，也是决定机床刚度的重要环节。针对床身的研究主要是为了保证加工稳定性。兰州理工大学的Wang Fu qiang等［14］则对数控机床床身的动态特性进行了研究；魏建中等［15］提出提高机床床身的刚性、加固地基基础，以减少动态特性对铣削力的影响。

此外，部分学者还对机床的夹具进行了研究和改进。Hui Yun Hwang等［16］为提高组合机床夹持部位的剪切性能，提出需嵌入金属芯或套筒以提高固有频率和阻尼。Armillotata等［17］提出一种方法,通过一组普遍的夹具结构几何误差参数,进行运动分析和误差分析。

3 总结与展望

国内开展机床动态特性的研究几十年，取得了显著的成绩，研究理论及方法已基本成熟。但在行业内至今还没有一个针对机床整体进行动态特性研究的评价验收标准或者规范。

总结现状，未来的研究方向主要集中于以下几点：

1）开阔研究思路。目前的研究更多的是基于用户需求，这些需求往往比较容易解决，而对于需求外的研究却较少。

2）深入研究。当前研究的重点仍是机床的模态、阻尼比和动刚度等，机床结构动态精度才是机床动态特性分析的重点，却很少有研究涉及其深度。

3）增强资源的共享和交互性。目前机床动态参数库还不完善，无法很好地实现资源的共享和利用。

4）构建行业内针对特定部件或机床整体进行动态特性研究的评价验收标准或者规范。

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