精密卧式加工中心阻尼匹配设计方法研究

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1、ＴＩＡＮＪＩＮＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ中国第－所现代大学ＦＯＵＮＤＥＤＩＮ１８９５博士学位论文一动力工程及工程热物理级学科：学科专业：机械工程作者姓名：徐亚凯指导教师：张大卫教授天津大学研究生院２０１７年５月天津大学博士学位论文精密卧式加工中心阻尼匹配设计方法研究MatchingDesignMethodforDampingofPrecisionHorizontalMachiningCentres学科专业：机械工程研究生：徐亚凯指导教师：张大卫教授天津大学机械工程学院2017年5月中文摘要作为高精

2、加工技术的主要载体，精密卧式加工中心需具备良好的静态、动态和热特性。阻尼作为影响精密卧式加工中心动态特性的主要因素之一，其研究具有非常重要的意义，其减振机理、设计和应用方法一直是相关领域研究的热点和难点。精密卧式加工中心的阻尼来源主要包括结合部阻尼、基础结构件材料阻尼和附加阻尼结构几方面，在目前的整机设计过程中，往往局限于单一种类阻尼或者局部结构阻尼，缺乏整体系统地阻尼设计，这也是目前提高精密卧式加工中心动态特性和动态加工精度的瓶颈之一。因此，本文针对机床设计和实际加工需求，对精密卧式加工中心存在的结合部阻尼、基础构件材料阻尼以及附加阻尼

3、结构三方面展开了系统的研究，并在此基础上提出了基于机床末端响应的整机阻尼匹配设计方法。全文主要工作及研究成果如下：基于分形接触理论和微观滑移理论，建立了固定结合部弹塑性接触过程中的能量损耗模型，在此基础上根据结合部等效虚拟材料模型，推导了虚拟材料损耗因子的解析表达式。通过数值仿真揭示了结合部的法向载荷、切向载荷和摩擦因子等参数对阻尼因子的影响，为后续的动态特性分析和结构优化提供理论依据。实验研究了切向动态载荷对结合部阻尼参数的影响规律。材料阻尼通过影响动态特性进而影响整机动态精度，如何选择基础构件材料非常重要。因此，本文首先以常用螺旋铣刀

4、为例建立铣削力模型并仿真得到不同刀具转速（或频率）下的切削力，然后推导了各个基础结构件在整机状态下的受力模型，最后选取了机床基础构件设计中常用的灰铸铁、球墨铸铁和铸钢三种材料，分析了采用不同材料的基础构件在承受不同转速下的末端载荷时的动态响应。以响应幅值为指标评价了不同材料对各构件动态特性的影响规律，为基础结构件材料选取及匹配设计提供了理论参考。基于渐进结构优化法提出了针对精密卧式加工中心基础结构件表面敷设附加阻尼结构的位置和形状优化的理论方法。首先从理论、仿真和实验角度分析了模态应变能法在约束阻尼结构中的适用性，然后以模态应变能法为前提

5、，推导了模态损耗因子对单位体积下阻尼单元的灵敏度表达式；最后以低阶模态损耗因子最大化为目标、阻尼材料用量和低阶固有频率为约束条件进行了拓扑优化设计寻求阻尼材料的最优配置。将响应面模型和多目标遗传算法相结合，提出了基于精密卧式加工中心末端响应的整机阻尼匹配设计方法。在整机静变形和固有频率满足设计需求的前提下，通过优化求解获取最优的整机三个方向的动态响应。分别基于结合部阻尼、材料阻尼和附加阻尼结构进行了整机动态特性优化设计，获取了满足一定动态性能要I求时螺栓紧固力矩最佳取值范围、各个基础结构件的最佳材料组合和不同粘贴位置附加阻尼结构的最优厚度

6、匹配。本文上述研究成果丰富和发展了精密卧式加工中心阻尼设计理论，具有重要的工程价值和社会价值。关键词：精密卧式加工中心，结合部阻尼，材料阻尼，约束阻尼结构，多目标优化设计IIABSTRACTAsthemaincarrierofhighprecisionprocessingtechnology,precisionhorizontalmachiningcentresneedtohavegoodstatic,dynamicandthermalproperties.Asoneofthemainfactorsinfluencingthedynami

7、ccharacteristicsofthemachiningcentre,theresearchesofdampingmechanismanddesignmethodarethedifficultyandtheemphasisintherelevantfield.Thereasonabledesignofdampingisalsothegoalofthedesigner,thustheresearchofdampinghasveryimportantsignificance.Thevarioustypesofdampingexistint

8、heprecisionhorizontalmachiningcentre,whichcontainthejointinterfacedamping,thematerialdampingofth