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1、 车 库 佯 力分竹，话构 C A 6 1 4 0车床刀架动力分析及其结构改进 。 f 8 0年 代 初 ， 北 京 机 涞 研 所 首 先 对 CA6 1 4 0车 床 主轴 部 件进行 了 象 矾功 悉。 H - 能 试 验研究 继之 ， 有关 高校 及J家 义进 行 了大量 的专题性研 究 ， 诸 如 芰承参数 识别 、 油 膜阻尼器 应用及 部件的动态设计 等 。但是对 刀架部件 的 研 究及 动惫设计 尚属鲜 见 。 事 实上 ， 刀架部 件的 动 态性 能 同样具有 不可忽视 的影 响 。把工件 与 主轴 、 刀架 联系起来 ， 就构 成了一 叶 串联的弹性 系统 ， 必然存在着
2、刚度 、 质 量及阻尼的合理 配置 问题 。我们对刀架部 件进 行动 、 静 态性 能测试 与 主轴 部件测 试相 比， 无论 是静刖 度还 是 动 度 ， 其 数值都十分相近 。 因此要提高整机 的动态 性能 ， 必须同时对 刀架进行研 究试验 本 文仅 作 了 初步 的尝试 ， 虽然对 结构 只作 了少 部分 的改 动 ， 由切削试验 可证 明取得 的效果较 明姓 一 、刀架部件的动态特性 江苏工学院 壁竺 方 向) 进行瞬惫脉 冲激 振 ， 测试系统 与分析 系统 的框 阁 见图 2 ， 涮得 原 f 即 方 刀架 处) 加 速 度 导 纳及部分模 态参数如 图 3及表 I 所 示 表
3、1 固有 频率及模态阻尼 比 模 志阶 数 固有频 率 ( Hz ) 阻 尼 比( ； ) 8 8 34 S 7l l6 l 7 5 4 0 9 。 、 9 1 ；1 =5 9i 0 89 刀 架部 件 由方 刁架、 小拖板 、 中拖 板、 转 盘 圈 车床 架部件筒 图 及床 鞍五部分 组成( 图 1 ) 。 对 其敏感方 阿( 水平 工 作行 程实际廓线方程 ： X一 ! j 7 o + 3 4 ( 1 一c 。 s 2 ) j Y一 ! 墨 二 墨 王 ! ! I 、 7 0 + 3 4 ( 1一c o s 2 q ) J 返 回行程 实际廓 线 方程 ： x ： ! 兰 !塑 圭 !
4、二 坚 亟! _ _ _ _ _ -_ _ _f_ 1_ _ _ _ _ _ _ _ _u _一 7 0 ,- r ( 一1 7 s i n ) y一 ! ， V 7 0 +( 一 1 7 x s i n ) 转角 ( ) 0 2 5 3 0 3 5 。 4 0 。 ,1 5 理 论 0 00 0 0 6 1 08 7 1 2 2l 7 3l 1 8 艟 6 O 2 4 4 3 46 3 0 5 4 3 3 3 6 65 1 9 4 2 7 6 0 6 4 8 8 6 9 2 84 97 79 0 0 1 9 0 0 1 1 9 8 l 0 4 0 1 2 J 0 9 4 0 9 l _ 8
5、1 2 5 3 0 7 9 9 4 7 9 4 6 6 9 9 4 8 9 7 9 3 5 由上 述公 式令 毋 从零 到 变 化 ， 即 可精 确 求 出理论廓 线及 实际廓线所 需要 的数据 。本文 仪 以 5 。 为间隔 ， 在 毋 从 0 。 4 5 。 变化 范 围内 ， 将 _ 亡作 行程理论廓 线数据计算 出并 列出上表 。 参考文献 1 洪 允 楣编 著 机构 设 汁的组 合与变 异方法 北 京 机 械 _ _ 1 9 9 4卑 j l 【 5期 业 出版社 ， 1 9 8 2 2 机械工程手册编辑委员会 机被工程手册， 第 1 8 篇 机树 选型与运动设计北京： 机械工业出版
6、社， 1 9 8 2 3祝毓 琥主 编 机 械原 理 北 京 ： 高 等教 育 出版社 ， 1 9 8 6 4黄锡 恺郑文纬主编 机械原 理 北京： 高等教育出艋 杜， 1 9 8 4 ( 编辑刘茹贵) ( 收 椿时 间 l 9 9 3年 1 0月 d目) 31 维普资讯 http:/ 计I 机 H l X 3 l B 网 2测试 系统与 分 析系 统框 图 人 x _ 】 _ D , D 2 O 5 Hz Y ? T F Hz 2 E 。 v O D O v 图 3原 点 加 递 度 导 纳 图 图 4为 由 S D一 3 7 5分析 仪提 供 的 数据 绘 制的各阶模态振型 。可见该部件是
7、 由 4个 质量 块所 组成的一个振动 系统 。当分别置 加速 度计 于中拖板及转盘 时 ， 得到 相 同的动 态响应 。 因此 可认 为 中拖 板 与转盘 之间 属刚性 联结 ， 两者构 成一个 质量块 ( 图 1 ) 。该 部件可 由图 5所示 的 力学模 型表 达 。 由图 4可知 ， 模态 1 及 模态 4振 型 的相对变 化较 大 。而 图 3 证 实 了 1阶模 态的 振幅远大于 其它 3阶模态 。因此 可以确认 1阶 模态是影 响刀架抗振性 的危险模态 。为进 一步 找 出该模 态 的薄弱 环节 ， 可对 各 阶模态 的 能量 分布率进 行计 算 。模态惯性 能与弹性 能的计算
8、公式 如下 ： 1 惯性能 T A m A ) 1 弹性能 V 一 寺 A“ ) A ) 式 中 系统第 r阶固有频率 A 卜 系统 r阶 振 型 ( 即 系统 以 固有频 率 振 动时 ， 各质 量块运动坐标 位移振幅的列阵， r 一1 、 2 、 3 、 4 ) 通过 模 态 分 析 可得 到 各 阶模 态 的 振型 数 值 ， 继 而可求得 各阶模 态柔度及能量分布 ， 如表 2所 示 。由柔度 来看 ， 其 中 1阶模 态的柔 度 为 0 - 2 6 1 5 u m N， 其它各 阶几 乎可不予考虑 。 32 图 4 刀架系境各阶模态振型 图 5 部件力学模型 表 2 模态柔度及能量分
9、 布 模 态 1 模态 2 模态 3 模 态 4 惯 O 5 5 4 6 o 3 7 2 5 o 0 5 7 1 o o 1 5 7 性 O 1 5 4 5 0 0 3 3 7 0 09 80 O 71 3 9 能 0 2 3 8 5 0 2 6 4 2 m 23 05 0 26 6 9 分 布 0 0 5 2 4 0 2 3 g e 0 6 1 4 4 0 0 0 3 5 蛊 合 计 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 3 1 0 0 0 0 弹 n 2 2 2 5 O 1 7 2 3 0 0 2 0 8 0 0 0 2 8 性 0 4 11 4 0 1 0 3 4 0
10、2 37 3 m 8 3 6 7 能 0 32 3 2 0 4 1 29 0 2 8 4 2 m 1 59 2 分 布 0 0 4 2 0 O 3 1 1 4 O 4 j 7 7 0 0 0 1 3 直 台 计 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 、 0 0 0 0 模 态柔度 ( N) 0 2 6 1 5 0 0 5 0 6 0 0 0 4 1 0 0 0 0 3 由能量计算 公式 可 以看 到 ， 惯 性 能与 弹性 能 除了与质量 或刚度 E k 成正 比外 ， 还 与振 幅 的平 方成正 比 。而振幅 列 阵 ) 又是决 定 于 I- m 和E k ， 撼小
11、质 量或提高 刚度 都可 以减小 振 幅 ， 从而 导致能量的减小 。 因此能量分布是否 均 匀 可以作 为质量 、 刚度的大 小与配 置是 否合 理 的一 项综合 指标 ， 也 可 以看 作结构 抗振性 的 指 标 。具体说来 ， 惯性能分布率 高的子结 构 ， 是 质 量偏 大之故 ； 而弹性能分布率 高的子结构 ， 则 是 刚 度 过 低 。 由表 2可 知 ， 对于模态 1来说 ， 惯性能主要 集 中于质 量块 l ， 而弹性 能 主要 集 中 于质量 块 2 、 3 ， 则当量刚度 、 毛 过低 ， 应予以加强 。 制造 技 术与机 床 爨 维普资讯 http:/ 二 、 结构的修改
12、设计 均匀。 表 3 改进 后刀架能量分布 由于受结构尺 寸所限 ， 又时 间、 财力不足 我 们仅根据 上述分析 ， 作 r少部分改动 ， 具体措 施 是 ： 1 增 强 。 ， 适 当 减 少 m。 。为质量 块 m 与 m 之间 的等效 刚度 ， 包 括 质量块 本体刚 度 与两者 结 合面 之间 的刚 度 往 往后 者是主 要成 分 ， 所 以应增 强结台 面 的刚 度 。 切削过 程 中m 、 m 会 产 生沿 Y轴 方 向位 移与绕 x 轴方向 的微转 动 。因此 应加强 小拖板 与转盘 之 间燕 尾 导轨 的 刚度 ， 即可增 加导 轨接 触 面 积 。 因受 条 件 限 制 ，
13、 仅 使 导 轨 高 度 增 加 3 mm， 相 应地 方刀 架高度降低 3 mm。 2 增 强 我 们仅对模 向进 给 的剖分 螺母 作 了改 动 ， 使之如 图 6所示 。 适 当增加 厶 、 L 长度 ； 止 口 W 及 D 相应增 加 5 ram； 增大 2 mm。 图 6 横 进路 丝杠 改动 三 、 改进前 、 后刀架静 、 动态特性 比较 摸志 1 模忠 2 l模态 3 模态 惯 o 2 6 0 9 0 0 5 7 4 性 0 2 7 0 6 0 00 0 8 O 27 9 5 0 4 4 9l 能 0 1 4 2 6 0 28 0 2 O 1 68 2 分 布 0 O 5 4
14、4 0 4 5 8 l 0 4 0 3 1 O 0 8 4 5 蜜 合 计 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 弹 O 3 3 2 2 0 1 5 3 4 0 0 7 8 1 性 0 4 0 7 3 0 0 0 1 2 0 3 5 27 O 48 9 5 能 0 2 01 0 0 3 7 2 1 0 1 98 7 O 4 1 7 4 分 布 0 0 5 9 5 0 4 7 3 3 0 3 7 0 5 0 0 6 7 1 蛊 合 计 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 表 4为改进前 、 后刀 架静 、 动态性 能 比较 ， 其 中静 柔 度 下 降 了 2 4 ，
15、1阶 动 柔 度 下 降 了 2 2 、 8 。 当 切 削 条 件 一 5 6 0 r mi n， 厂一 0 0 9 mm r ， 一0 1 mm； 试 件直 径 一1 0 0 ram 时 ， 经 TAYL OR HOB S ON 粗糙 度 仪测 定 ， 在原 刀架上车 削试 件的粗糙 度 Ra 3 7 6 0 m， 在改进 后的刀架 上车削 试件的粗糙 度 R a 2 1 5 1 y m， 约 提高一级 。 表 4 静 、 动态性能比较 静柔 度 摸 态阶数 1 2 3 【 N、 固有糍率 修改前 8 8 7 9 1 1 7 0 0 1 5 2 0 2 3 l 5 0 O ( H ) 修改
16、 后 8 8 3 4 1 6 1 7 5 2 0 6 2 9 2 5 7 9 1 动柔度 修改 前 0 2 8 1 j 0 0 5 0 6 0 0 0 4 2 0 0 0 0 3 0 0 3 1 8 ( ， N) 修 改后 0 2 0 1 9 0 0 8 8 5 0 0 0 7 6 0 0 0 1 8 0 O 2 3 g 表 3为改 进后 刀架 的能 量分布 ， 与 表 2相 比较 ， 模 态 1的惯 性能 虽 仍主要 集 中在 质量 块 参考文献 1上 ， 但各 质 量块惯 性 能分 布 的均 匀性 较 前 有 杨 肃等 机床动力学 北京： 机械工业出版社 妻 。 性 譬 的 分 布 则 有 较 大 改 观 ， m 、 m 的 研 量 j 理 参 数 确 试 技 性 能有较 大 幅 度 的 压缩 ， 而质 量 m- 的 弹性 ( 编辑刘茹责 ) 1 9 9 4年 第 5期 3 3 维普资讯 http:/