高速数控雕铣机模态分析


为了保证零件的加工精度 , 机床要具有足够的静刚度 , 因而有必要对机床进行结构静力分析 , 从中找出影响机床刚度的主要因素 。在此基础上 , 可以对机床相应零部件进行结构优化设计 , 以提高机床的整体刚度和性能 。在工程技术领域内 , 这项工作常用数值模拟方法来实现 , 主要是有限元法 。
KT-450高速数控雕铣机最高转速 25  000  r/min,外观结构如图 1 所示 。由于加工时受到动载荷的作用 , 产生振动 , 使加工质量不稳定 , 工件表面质量较差 , 生产效率低 。分析其原因主要是由于高速切削时引起的强迫振动引起的 。作者试图从机床模态分析来解释这种现象 , 并提出解决问题的建议 。
1   雕铣机动力学模型
整个雕铣机存在两个独立的振动系统 :
(1)以工作台为主 ,   包含滚动导轨和滚珠丝杠在内的工作台系统 ;  (2)包括竖直滑板 、 横向滑板 、横梁和立柱的滑板系统 。由于阻尼对系统的固有频率影响较小 , 所以文中的力学模型没有考虑阻尼 , 主要研究滚动导轨和滚珠丝杠的刚度对固有频率影响 。 因此 ,  可建立图
2、 3 所示的雕铣机的工作台系统和滑板系统的力学模型 。


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结 论
(1)利用有限元分析软件 ANSYS对工作台和滑板系统进行了模态分析 ,   得到 KT-450 高速数控雕铣机结构系统的前 8 阶固有频率 。通过激振实验和模态辨识对有限元分析进行验证 , 两者结果基本吻合 。
(2)滑板系统前 3 阶固有频率对应竖直滑板 、横向滑板共同的振动 , 分别对应 3个不同的方向 , 第三 、 四阶为横梁在 X和 Y方向的振动 ;横梁的固有频率较高 。
(3)工作台系统的前 3 阶固有频率表现为工作台在滚动导轨及滚珠丝杠支承下的刚体运动 , 分别对应 3个不同的方向 X、  Y、  Z;从第四阶开始 ,   表现为工作台本身的变形 ,  即扭振 。
(4)建议机床在现有条件下进行机械加工时 ,应避免上述前 8阶固有频率振源出现 。应合理选择主轴转速和刀具齿数 , 以控制激振频率 , 避免出现共振 , 才能克服有时出现振动 、 影响加工质量的问题 。



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