基于Abaqus的高速立式加工中心立柱冲击振动研究.pdf

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1、基于Abaqus的高速立式加工中心立柱冲击振动研究六口王延忠口吕晓宇口孙红梅口刘强口高琦z口沈华红z1．北京航空航天大学机械学院北京1001912．北京机电院高技术股份有限公司北京100027摘要：以BVG系列高速立式加工中心的立柱为对象，通过有限元分析软件Abaqus，研究立柱在不同冲击载荷作用时间下的振动衰减、变形、应力变化情况，为机床减少振动、提高机床加工性能提供理论参考关键词：立柱Abaqus冲击振动中图分类号：THl13．1；TB122文献标识码：A文章编号：1000—4998(201

2、0)09—0024—03Abstract：TakingthecolumnoftheseriesBVGhigh—speedverticalmachiningcenterasanexample，theresearchontheimpactvibration，deformationandstressvariationunderdifferentimpactloadsiscarriedoutwiththehelpofthefiniteelementanalysissoftwareAbaqus，thusp

3、rovidingthetheoreticalguidanceforreductionofvibrationandimprovementofmachiningperfor—mance．KeyWords：ColumnAbaqusImpactVibration机床振动是加工过程中不可避免的，它不仅使工件和刀具的相对位置发生变化，影响加工精度，而且加速了刀具磨损，进一步影响加工精度，同时还产生污染环圈潮罄馨圈禽一境的噪声。研究表明，机床的加工质量在很大程度上取决于机床所产生的振动，特别是高速、高精度的机

4、床，振动对其影响尤其明显，因此，机床振动是机床动态特l霉豳lI圈i性研究的首要问题⋯。，礴目BVG系列高速立式加工中心是北京机电院研制开隳释▲图1立柱简化后的三维模型▲图2立柱F划发的一种轻型龙门式高速铣床，工作台实现一个直线轴，主轴实现两个直线轴的运动，定位精度为：x：0．010mm，网格划分方式，并采用单元精度较高的10节点修正二l，、Z：0．008mm。研究机床立柱在切削载荷不同作用时次四面体单元C3DIOM对立柱进行网格划分，模型总间条件下的振动及衰减情况，可为提高机床加工性能节点数46

5、667，单元数2305。定义立柱与床身的连接提供理论性指导及建议。表面为完全固定约束(如图2所示)。1有限元模型的建立2立柱的模态分析利用Pro／E建立立柱的三维模型，为减少计算量，在结构动力学分析中，模态分析扮演着重要角色，提高计算精确度，对模型进行适当简化。它主要用于计算模型的固有模态的两个基本参数：固1)去掉结构中存在的小倒角和小圆角(R5及以下有频率和振型。它们表明了系统自由振动的特性，是系的圆角简化为直角，R5以上的圆角按实际尺寸保留)；统固有的。参考结构的固有频率，～方面可以在设计与

6、2)去掉结构中存在的小台阶以及对分析影响不大改进时使结构的固有频率避开其在使用过程中的外部的凸台；激励频率；另一方面，通过对模态振型的分析，了解部3)去掉次级安装孔及部件上各个附件的安装面。件的弯曲刚度和扭转刚度的分布情况，找出部件结构的简化后，模型如图1所示。薄弱环节和可能的破坏区域从而为部件动力学优化设将简化好的模型导入Abaqus软件，定义材料属性计提供必要的依据。为铸铁，密度p为7200kg／m，弹性模量E为210设置Abaqus的分析步类型为频率，提取立柱的前GP，泊松比为0．28。立

7、柱模型较为复杂，采取自由30阶固有频率值。立柱的一、二阶振型如图3、4所示。立柱的前l0阶固有频率见表1。★国家科技重大专项项目(编号：2009ZX04001—012—02)立柱在切削力冲击作用下的主要运动方向是沿z收稿日期：2010年4月2010／9机械制造48卷第553期▲图3一阶振型▲图4二阶振型表1立柱前lO阶固有频率值模态阶数l2345频率／Hz64．81065l07．7244．7281．9吕i模态阶数678910＼潍频率／Hz3l1．3391．9420．5467．2491．4方向(切

8、削力方向)的移动，经有限元计算得，沿此方向前30阶模态激发的总质量是1．5t，立柱总质量为1．656t，激发质量占总质量的90．6％，在主运动方向上的总有效质量超过模型中可运动质量的90％，因此▲图6当冲击载荷作用时间为0．05s时，4个节点沿方向位移变化图可以认为在频率提取上提取了足够数量的模态。时，立柱沿X方向变形在0．25s之后衰减为零，在3立柱的瞬时模态动态分析0～0．055s时间内沿负方向变形，最大变形量发生3．1定义模态动力学态分析步，确定阻尼系数在第0．007s节点2位置，最大变形