铣齿机有限元建模及优化设计.pdf

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1、第31卷第6期机械设计Vo1．31No．62014年6月JOURNALOFMACHINEDESIGNJun．2014铣齿机有限元建模及优化设计水葛银明，李清，霍津海(1．天津大学装备设计与制造技术天津市重点实验室，天津300072；2．精诚机床有限公司，天津300222)摘要：针对螺旋锥齿轮铣齿机结构进行了】，向静刚度实验和模态实验，且由切削实验验证了实验1阶模态频率。基于结合面法向解析刚度及模态实验结果建立了床身立柱结合面有限元仿真动力学模型，而且由实验静刚度建立了整机y向静刚度有限元模型。鉴于铣齿机笨重，分别对床身和立柱单件进行了轻量化设计

2、，发现在前3阶固有频率削弱小于5％的情况下。质量分别减轻了18．86％和27．4％，且对应整机模型固有频率和刚度均提高。进一步分析了结合面参数动态灵敏度．并用坐标轮换法确定了最优的结合面刚度参数，为导轨选型提供了一种实用方法。为设计类似机床提供了依据，也为更加实用的动力学建模、更加有效的筋板参数优化及结合面动态性能优化提供了依据。关键词：混合建模；参数优化：动态灵敏度中图分类号：TH122文献标识码：A文章编号：1001—2354(2014)06—0047—05螺旋锥齿轮重合度高、承载能力大、传动平稳，工度为：业中广泛应用，使得相应高速干切削铣

3、齿机的研发成Ko==了一种必然趋势。而作为一种高速、精密机床，高速干式中：p——结合面比压，由结合面法向压力和实际接触面积获取；切削铣齿机的动力学特性直接关系着其加工精度和加工效率。目前，动力学模型主要依靠实验方法、有限元C——由结合条件确定的常数，可查表获取。方法或混合方法建立Ⅲ。国外学者Park等口运用混合方结合面其余两个方向的连接刚度可通过模态实验法建立了机床动力学模型。国内学者辛志杰等口]研究了结果修正获取，最终建立混合动力学模型。铣齿机有限元动力学模型建模与应用；周德廉等建立1．2优化方法了磨床的动力学模型，并优化了机床的接合面；郭志

4、全ANSYS零阶方法通过曲线拟合建立目标函数及等完成了机床重要组成部件立柱的静动态优化设计，状态函数和设计变量间关系，逐步逼近最小值。ANSYS间接提高了整机的综合性能。一阶方法基于因变量对设计变量的偏导数，在每次迭螺旋锥齿轮高速干切削铣床质量普遍较大，不仅代中，梯度计算确定搜索方向，并用线性搜索法对非约制造成本较高，而且限制了机床动态性能的提高，为此束问题进行最小化。基于动力学的轻量化设计显得尤为重要。鉴于整机性响应面优化法是一种实验条件寻优的方法，适宜于能计算耗时长、设计参数多，导致计算量大而无法取得解决非线性数据处理的相关问题。通过建立过

5、程的回归满意结果，单件设计与整机验证来取代整机设计成为拟合响应曲面找出预测响应最优值及相应的实验条件。了一种快速而又实用的选择。文中基于天津精诚机床国内学者于海莲等基于响应面模型与多目标遗传算厂研发的首例螺旋锥齿轮高速干切削铣齿机进行了相法优化了机床立柱参数。提高了立柱的静、动态性性。关动力学建模与优化。2混合模型建立1基本原理2．1模态实验1．1动力学模型采用一点锤击激励、多点拾振方法，应用LMS模许多研究者实验证实，结合部法向方向的变位A态测试系统，对整机结构进行模态实验分析。根据机床主要取决于结合面比压，而且由此可得结合面法向刚外形结构特

6、点，于立柱后方一点方向进行脉冲锤击$收稿日期：2013—06—24；修订日期：2013—12—11作者简介：葛银明(1989一)，男，河南周口人，工学硕士，研究方向：机械动力学，已发表学术论文2篇。机械设计第31卷第6期激励．测量出立柱和工件箱上的98x3个加速度响应信号。并利用LMS模态分析软件求解低阶模态(如表1罨所示)及部分振型(如图l所示)。表1机床整机实验模态i型粤频率／Hz(c)28把刀具60r／min滚切法要理频率／Hz(d)20把刀具240r／min滚切法图2不同条件下加速度响应的频谱图铣刀数目28把、主轴转速180r／min条

7、件下，滚切切削和成形切削时，频谱中均出现了与激励频率84Hz无关的频率63Hz；铣刀数目28把、主轴转速60r／rain，滚切切削时，63Hz频率依然存在；铣刀数目20把、主轴转速240r／rain，滚切切削时，64Hz频率存在。由机床动力学颤振理论知，63Hz附近出现了颤振，也验证(h)表1中模态实验所测第1阶固有频率的正确。图1第2阶及第4阶模态振型2．3Z向静刚度实验2．2切削实验伺服电机通过滚珠丝杠螺母副带动立柱实现轴向响应点选在主轴箱上靠近刀盘处一点，拾取响应方进给，根据图3所示原理，通过ES一1A三等标准测力仪向为】，向．不同加工条

8、件下的响应点在0-250Hz功率及3个千分表的布置，并基于最小二乘原理计算出床身谱如图2所示。与立柱间的连接静刚度K=2．26x10N／m，立柱与工件