基于动态特性分析的框形箱体切削工艺参数优化

郭召

西安大医集团股份有限公司 陕西西安 710000

1 序言

一种摩擦轮驱动的旋转机架如图1所示，其底部支撑为框形箱体结构。框形箱体顶部安装4组摩擦轮传动箱，共同托举滚筒做旋转运动。摩擦轮安装后要求同侧摩擦轮同轴，两侧摩擦轮平行。框形箱体顶部安装结合面的加工精度是保证装配精度的基础。

图1 摩擦轮驱动的旋转机架

在精密加工过程中切削振动会造成加工精度及表面质量降低，还会加剧刀具磨损[1]。对于大型箱体类零件，采用盘状多齿刃铣刀加工，切削力会发生周期性变化，加工过程中的激振频率对箱体加工面的影响不容忽视[2]。本文针对旋转机架框形箱体支撑结构的顶部安装结合面加工表面质量不高的问题，对其进行模态分析，识别出振型及模态，并核算不同工艺参数的激振频率，进行谐响应分析，在此基础上对切削工艺参数及装夹方式进行优化，避免了切削振动对加工精度的影响。

2 框形箱体模态分析

对框形箱体三维模型进行简化，去除不影响分析精度的螺孔、圆角和倒角等特征。将模型导入有限元分析软件，进行网格划分，建立的有限元模型如图2所示，共计30413个单元和87831个节点。

图2 框形箱体有限元模型

模拟框形箱体在加工过程中的装夹方式，对箱体底部四角与机床工作台的固定结合面施加固定约束，对框形箱体进行模态分析，获取前6阶模态。箱体前6阶模态信息见表1，前6阶模态振型如图3所示。第1阶模态，频率210.11Hz，箱体在水平面内先收缩后向外膨胀，最大位移1.86mm，发生在箱体中部。第2阶模态，频率210.85Hz，箱体在水平面内前后摆动，最大位移1.83mm，发生在箱体中部。第3阶模态，频率337.68Hz，箱体前端上下摆动，最大位移2.40mm，发生在箱体前端中部。第4阶模态，频率341.6Hz，箱体后端上下摆动，最大位移2.47mm，发生在箱体后端中部。第5阶模态，频率488.64Hz，箱体在水平面内扭摆，最大位移2.24mm，发生在箱体后端。第6阶模态，频率490.58Hz，箱体在水平面内扭摆，最大位移2.22mm，发生在箱体前端。

图3 框形箱体前6阶模态振型

表1 框形箱体的前6阶模态

3 切削加工激振频率及铣削力计算

框形箱体在龙门式加工中心上进行精密铣削加工，主要工序为面铣，采用多刃齿盘状铣刀。由切削引起的激振频率f通过式（1）计算，不同切削参数的激振频率计算见表2。

表2 不同切削参数的激振频率

式中，n为主轴转速（刀具转速）（r/min）；z为铣削刀具切削刃数量（z）。

通过上文的分析，框形箱体自身最低固有频率为210.11Hz，6刃及8刃齿的盘状铣刀在低转速下所产生的激振频率小于箱体低阶固有频率，随着转速提高，激振频率将进入箱体的固有频率范围，有引发共振、导致严重切削振动的风险。因此加工时选择前角为45°的6刃齿盘状铣刀进行加工，精加工时设定主轴转速为1000r/min，产生的激振频率为100Hz。

4 谐响应分析

对框形箱体进行谐响应分析，识别在不同激振频率及激振力作用下箱体的响应，进一步确定铣削工艺参数选择的合理性[3]。模拟框形箱体加工过程中的装夹方式，对底面施加固定约束。箱体顶部安装结合面由4块200mm×450mm的共面小平面组成，加工时4个平面一次装夹，单独加工。在该面上施加160N铣削力，获得的顶部平面位移响应曲线如图4所示。随着外界载荷频率的增大，位移响应逐渐增大，在350Hz附近达到最大值；随后位移响应减小，在375Hz附近位移响应值最小；随后随着频率增加，位移响应逐渐增大。

图4 铣削过程的位移响应曲线

5 切削工艺参数优化及加工验证

根据仿真分析，采用6刃齿45°盘状铣刀对框形底座顶部进行加工，吃刀量0.5mm，进给速度300mm/min，主轴转速1000r/min。箱体放置在水平调整垫铁上，找正后用压板压紧，将箱体整体固定在龙门铣工作台上，效果如图5所示。箱体顶部关键结合面加工后平面度精度达到0.062mm，表面粗糙度值Ra为1.6～3.2μm。加工过程中切削噪声较小，没有发生明显的切削振动。

图5 框形箱体装夹效果

6 结束语

切削振动是引起零件加工误差及表面质量缺陷的一个主要原因[4]。通过对框形箱体进行模态分析，辨识其固有频率及各阶振型，在此基础上选择避开共振的切削加工参数，可以有效保证加工精度。