复杂机床切削工艺系统的分析方法研究

张国智

ZHANG Guo-zhi

（新乡学院 机电工程学院，新乡 453000）

0 引言

机床切削加工系统是机械强力加工中目前应用最为广泛、应用最早的制造工艺系统，长期以来，国内外工程技术人员、学者对此进行了大量的研究，如：对高速切削工艺参数优化系统的开发[1]，对切削过程的仿真分析[2～4]，基于遗传算法的切削工艺参数优化研究[5]。

机床切削加工系统是一个非线性复杂系统，要想准确分析这样一个复杂的系统非常困难，而且该系统呈现高度的非线性，收敛困难，其计算效率较低，为了提高分析效率，并且保证分析精度，必须做适当的分解和简化。本文以机床切削加工系统的典型结构的分析为例，对根据分析目的进行工艺系统的分解、分析及结果评价等进行了深入系统的研究。

1 分析思路

机床切削加工工艺系统分析包括机床设备、工件、机床夹具和加工刀具四个部分的分析，以切削过程分析为核心，切削过程分析属于高度非线性分析，涉及材料非线性、接触非线性、几何非线性，通过切削过程分析得到切削力，通常切削力通过半经验、半理论、半数值模拟的手段得出。具体机床切削加工工艺系统分析思路如图1所示。

图1 机床切削加工工艺系统分析思路

2 复杂机床主轴的静态刚度、强度分析

2.1 复杂机床主轴简介

某复杂的机床主轴如图2所示，其中，F1＝ 100N，F2＝ 300N，M2＝ 10000N ·mm，E＝200Gpa，m＝ 0.3。

2.2 静态刚度、强度分析

应用梁单元对复杂的机床主轴进行分析，有限元模型如图3所示，复杂主轴的弯矩如图4所示，复杂主轴的剪力如图5所示，各个截面最大弯曲应力如图6所示，复杂主轴的挠度如图7所示。

图2 某复杂的机床主轴

2.3 分析模型的验证

材料力学及梁单元的有限元计算结果对比如表1所示，从表1中，通过对比验证了计算结果的正确性。

表1 材料力学及有限元计算结果对比表

图3 复杂主轴的有限元模型

图4 复杂主轴的弯矩

图5 复杂主轴的剪力

图6 各个截面最大弯曲应力

图7 复杂主轴的挠度

图8 复杂机床主轴第4阶振形

3 复杂机床主轴的模态分析

对复杂机床主轴前10阶模态进行了分析，复杂机床主轴第4阶振形如图8所示，复杂机床主轴10阶模态频率如表2所示。

表2 复杂机床主轴10阶模态频率

4 结论

本文针对复杂机床切削工艺系统分析，得到以下结论：

1）提出了复杂机床切削工艺系统的分析思路，该方法一方面保证了分析精度，另一方面有效地提高了分析效率。

2）基于该分析思路，以某复杂机床主轴为工程案例进行了静态刚度、强度分析，得到了弯矩、剪力、各个截面弯曲应力、挠度，并对有限元分析模型进行了验证。

3）基于该分析思路，以某复杂机床主轴为工程案例进行了模态分析，得到了其前10阶的模态。

本文的研究为复杂机床切削工艺系统的快速、准确的设计与分析提供了方法和依据。

[1] 于航,王若平,刘大辉,等. 高速切削工艺参数优化系统[J]. 新技术新工艺,2009(8)： 57-59.

[2] 李蓓智,黄昊,王胜利. 切削过程仿真及工艺参数优化[J]. 东华大学学报( 自然科学版),2007,33(3)： 287-289.

[3] 方刚,曾攀. 金属正交切削工艺的有限元模拟[J]. 机械科学与技术,2003,22(4)： 641-645.

[4] 朱江新,阳平. 切削工艺参数对切屑形状的影响及其有限元分析[J]. 工具技术,2010,44(3)： 25-27.

[5] 李琦,郭成. 基于遗传算法的切削工艺参数优化[J]. 机械制造,2004,42(474)： 50-52.