数控铣镗床动态特性研究

王 伟

(齐齐哈尔二机床(集团)有限责任公司设计院，黑龙江 齐齐哈尔 161000)

1 国内数控机床概况

1.1 切削振动的研究现状

以国内铣镗床为例，在切削的过程中，当速度达到了一定的数值时，其切削部位的温度便不会再出现变化，在国际工业制造领域，其机械加工的要求标准还要更高一些，从国内标准的微米级到了纳米级，这种铣镗床的精度是极高的，具有极强的可靠性。在机床进行技术切削加工的过程中，常常会出现振动，振动会导致所加工工件质量出现问题，甚至会导致机床的加工效率下降，国内工匠根据模型分析并从工艺角度进行分析与研究，研制出了球头铣刀，根据其特性可有效降低在加工时发生的振动。

1.2 机床动态特性的研究简述

机床在进行加工工件的过程中，其发生的振动不仅会导致机床的加工效率变低，还严重地影响了其加工质量，这对于机床的操控者来说是具有很强的危险性，机床一旦因为振动发生意外事故，很容易来不及发现并造成生产事故。

2 球头铣刀铣削过程的分析

2.1 国际上各类球头铣刀铣削力的研究分析

20世纪90年末期，我国的学者曾经以切屑负载与切削力之间的相互作用为基础，对球形铣刀的微分化方法进行相关模型的建立。21世纪初期，我国有关学者基于细长杆铣刀铣削的工作原理，建立了相关的动力学模型。2006年国内学者对机床刀具的变形进行充分分析并展开研究，对切削力模型进行了有力地补充，这为国内机床的铣削力模型打下了坚实的基础。此外，国外的专家与学者也对机床的球头铣刀建模展开了充分地研究，在20世纪90年代，国外学者对于理论模型也在不断地进行求证与建立。

2.2 球头铣刀铣洗过程的削力分析

在对球头铣刀铣削进行分析过程中，可以利用对进给速度与铣削的深度进行改变，并进行充分详实的实验，在这个过程中分析数据得到铣刀削力的准确数据。在获取铣削力数值之前，往往会涉及到多个循环数据，需要计算分析的数据量是极为庞大的，因此，可以利用MATLAB语言进行编写，对求得铣削力的数据写入计算机软件，这样不仅可以更加便捷，也更加准确。在铣削力的求解过程中，我们在掌握相应工件以及道具的详细参数后，对平均铣削力、切削深度与每齿的进给量参数进行代入，最终求得铣削力模型的系数。

3 铣镗床模态的特性

3.1 基于ANSYS软件的模态分析

ANSYS软件是目前国际上最为高效的CAE软件之一，它基本可以适应各类工业场景，ANSYS的结构Fenix不仅可以对静力进行分析，还可以对动力学非线性学进行分析并给出优化后的建议与参考。在对有限元进行分析的过程中，ANSYS有以下2种模块供模型的处理，一是前处理模块，此类模块主要针对模型进行分析参数，实体建模等操作，二是后处理模块，此类模块主要针对于计算结果进行处理并回执路径图，并可以查看到分析出来的结果与频率，对其中的函数关系也有着详细地展示。对于模态分析，ANSYS主要依靠的是线性分析，也就是前处理模块的处理，在进行分析前，我们需要针对分析前的限制做出如下建设：一是其结构要有常数的刚度与质量，二是要对流体自由度与结构有效果，三是在这个结构内不随着时间变化而产生其他的变化，四是要没有任何阻尼。基于此，ANSYS也给出了相应的模态分析方法，分别是阻尼方法、子空间方法、缩减方法与分块兰索斯方法等等。

3.2 关于铣镗床动力学的分析

在铣镗床固定结合面的建模上，在其动力学的模型基础上，我们通过其运用模式主要将结合面分成3个不同的种类，分别是运动结合面、固定结合面与半固定结合面。运动结合面是将互相连接的两个部件进行充分运动的集合面，而固定结合面较为简单，此类结合面主要是起到固定与支撑作用的，最后一种是半固定结合面，这种结合面有时固定，有时进行运动。基于结合面不同的基础上，在建立模型前应该将如下操作进行充分纳入，一是对于大面积的结合面应将其简单化构成模型，二是根据其各类条件与数据。三是针对组合类型的平面而言，要根据以上提到的方法进行建模，并相应减少等效连接点。

3.3 基于TX6916铣镗床有限元的建模

TX6916型号的铣镗床一般在工业高校内较为常见，因此以这个型号的铣镗床为例，对其有限元的建模进行详细分析，TX6919铣镗床主要由以下几个主要部分组成，分别是床身、滑座、立柱、主轴箱、镗轴与滑枕所组成。在进行建立有限元的模型过程中，要充分结合实际情况进行简化，例如在铣镗床进行加工部件的过程中，由于会出现各种现实性的问题，因此要做出一定的加设，不可能考虑到所有可能出现的问题，假设如下：一是假设铣镗床都是相同性材料且分布情况均匀，并在工作过程中保持在良好的弹性阶段，二是假设就算发生一定的位移与变形情况，都是极为轻微的，铣镗床的内部结构较为复杂，一旦出现加大的位移与变形，其结果的质量与工艺离加工的初衷无疑是较为遥远的，这并不符合试验的预期思想，且结果也不能作为有限元建模的结果来使用。

3.4 主要部件模态的分析

TX6916铣镗床由几大部分所组成，对于其主轴系统需要重点关注，主轴对于整个数控机床来说是极为重要的，因此，要充分保证其精度与强度。良好主轴的动力分析方法有着以下2种，一是有限元法，有限元法的优点在于有着良好的计算精度，能够适应各种形状，但缺点是所占用的内存较大，且时间耗费成本较高。另一种则是传递矩阵法，这种分析法的优点在于其程序简单、便于操作，所占用的内存较小，但这些优点却是以计算精度下降为代价的，一般分析手段还是以有限元法较为普遍。

4 结语

综上所述，在刀具铣削的过程中，其产生的振动是影响工件质量最为重要的因素之一，机床的加工精度与动态特性是影响机床工作效率的主要原因，因此，我们应该重点对机床进行分析，并对其动态特性展开研究，结合实际情况充分改进机床的结构设计，从真正意义上将国产机床的生产效率提升上去，为我国的工业发展贡献自己的一份力量。