车床加工精度的先进动态模型评价

1、本科生毕业设计（论文）外文翻译毕业设计（论文）题目：CK6163 主传动系统及进给系统的结主传动系统及进给系统的结构设计与三维实体建模构设计与三维实体建模外文题目：Advanced dynamic models for evaluation of accuracy of machining on lathes译文题目：车床加工精度的先进动态模型评价学 生 姓 名： 杨旭 专 业： 机械设计制造及其自动化 指导教师姓名： 韩立 评 阅 日 期： 车床加工精度的先进动态模型评价车床加工精度的先进动态模型评价摘要：本文介绍了车床振动的精度和粗糙度的影响加工零件。计算计划涉及具 有一个和两个自由度的系统，振动体看做用铰链固定在主轴上的刚体累毛坯， 且弹性地支承在车床的尾座上。上进行的实验测量类型 1K62 车床不同的切削速 度，进给和切削深度。粗糙度测量数据的分析证实建议的计算模型的准确性。 的表面粗糙度参数的空白令人满意同意的理论调查与相应的数据。研究旋转力 对表面粗糙度的影响，有两种自由度的计算模型。实验和理论研究的结果的吻 合度适宜。关键词：车床，振动，计算模型，固有频率，表面粗糙度。1

2、.简介动态现象的振动是由车床外部系统造成的的动态现象引起。在车削操作中， 刀具的振动影响产品质量和生产率，并且对工作环境也可以具有负面的影响1。 在加工过程中，所有干扰最终影响在毛坯和切割机床的相对位移上，如表面粗 糙度等参数，在计算中，真正的动态特性由一个具有有限自由度的弹性系统的 车床来代替。在不够精确的基础数据等复杂的情况下，计算方案可能导致重大 计算错误3。因此，在基于实验的合理性的基础上，我们使用了简化的方案。系统中有一个自由度，表示振动的毛坯作为刚体铰接在主轴上，且车床尾 座的支撑为弹性支撑，使用了作为基础的计算方案。连续生产系统的精确解具 有无限数量的自由度，结果表明连续模型的第一固有频率表示的就是所实验模 型的固有振动频率。这允许在金属切削中使用这种计算模型来分析振动。实验测量类型为在 1K62 车床上采取不同的切削速度，进给和切削深度。在 适当的的频率范围内，实验结果相应的理论结果一致性令人满意。随着频率的 增加，理论与实验结果的差异逐步扩大。其结果是，需要考虑这种数学模型在 机床加工毛坯时的振动问题时的局限性。每次加工后，都采用“Surftronic3 +”测量毛坯

3、表面粗糙度。表面粗糙度测量数据分析确保了计算模型的准确性。 毛坯的表面粗糙度参数与相应的数据吻合度很高。一些研究已经集中在切削刀 具振动过程中加工4和建模的力和接触面积的调查车削过程5并日渐成熟， 成为一个有前途的有限元分析（FEA）加工和预测的分析工具，以增进了解加工 过程的输出，然而，有限元分析的准确性取决于如何足够的选择的物理模型6。现代工艺过程的监测和诊断方法在7中描述。我们使用了一个具有两个自 由度的计算模型研究旋转力对工件表面粗糙度的影响。这样的方法来这个问题 一直没有使用。实验的结果和理论研究相比毫不逊色。结果使我们能够增加的 精度的不同条件下的切削。在未来中，计算与四个自由度的模型将被使用。此 外，稳定的毛坯移动的切割力的作用，是在以后进行调查。最后，它是得出的 理论公式，这可能有助于确定粗糙度的准确。后者将提供一种可能性，来控制 和调节加工表面粗糙度。2.理论分析要开发一个动态的计算模型，首先，我们研究制定了“问题。为了简化动 态模型中，我们排除了所有的因素，该溶液的结果上有轻微影响。其实，这些 模型 有一个有限的区域内的应用8。在这篇文章中，一个动态模型和两个自由度

4、， 进行了调查。 2.1。一个自由度的动态模型 车床空载时（图 1， ） ，强迫振动的微分 方程式如下（1）其中，J 0 是毛坯相对于主轴承（主轴）的弹性惯性矩， 是毛坯的偏转角，ky 是毛坯弹性支撑的水平常数，l 是毛坯的长度，m 毛坯的2lympMb2 y质量，f 是基础振动的频率，单位是 Hz，基础振动的振幅。当限定f2pby在稳态强迫振动时， ptsin pJM22 0y （2）其中，是车床系统的固有频率。02 yJlk由以上可知，毛坯强迫振动的相对速度是。 .22 0y. pt cospJpMlyv（3）图例 1：一个(a)和两个(b)自由度的动态模型。图例 2：切削时的计算模型。 接受的准确性进行了验证计算模型进行比较理论和实验结果。在加工的部分车 床,切削力F(图2)不是常数。它由很多因素决定的改变厚度的截止芯片,改变机 械 属性的空白材料和刀具磨损。输入的车床系统是切削力F作为时间的函数和输出 位移的刀具或空白(图2)。 强迫振动的微分方程引起的切削力F是1* ary2 y.0lt cosFFptsin MlkJ（4） 其中切削力F是以下各项的总额:由经验公式2简化而来

5、的不变常量Fr和变量成分(是切割力的坐标)。切割力可变分量的振幅与不同的粗糙度有关tcosF* a1l而且在一个相当宽的范围内。 公式（4）可以用v0和 y0表示的毛坯的位移量的结果来表示tcosElllFptsin DtsinDlpvtcoslEllFyly* 1100 1100 （5） 速度v是， tsinEllDlpcospttcosDlpvtsinElllFyv* 101100（6），。 22 0y pJMDklFFr 02*2 0a JFE （7） 关于阻力,可以用类似的方法解决。然而,由于数量太多，在这里没有介绍。 2.2。 有两个自由度的动态模型 这样一个模型(图。1,b和3)能帮我们解释由工件旋转而产生的旋转力。 强迫振动的微分方程,由切削力F所引起,可由以下动能定理表示，sinptMzlkyAzJz2 z.b.0， tcoslFlFcosptMylkzAyJ* 1a1r y2 y.b.0（8）其中是工件旋转的角速度，和是基础振动的振幅，b2lzmpMb2 zbybz是弹性常量，A是工件相对于转动轴的转动惯量。yzkk 和公式（8）的通解表现为自由振动，2221111t

6、psinatpsinay， 222211111tpsinatpsinaz（9）其中是由初始参数决定的积分常数，是两种主要振动2121aa和，21模式的比值，是回转力的自振频率21pp 和，0zy42 022 2, 1J5 . 0kklJ4bbp其中，。 2 b2 zy2 0AkklJb（10）我们的分析表明,随着值的增加,高低频率之间的差距也就越大(图4)。b21pp 和图例 3：两个自由度的回转切削系统图例4：主要模态的振动与回转力,对应两个不同的自然频率;-振幅的主 要振动模式。 这是发现第一模式与更高的频率p1,比1是积极的,即。 、振动y1和z1在阶段或在 所谓的直接旋进。对于低频率p2,振动和z2的日元反相或在所谓的反向旋进。在第一个振动模式,一个点的空白轴动作循环自己的方向旋转,而在第二个 模式它向相反的方向旋转(图4)。 一个特定的解决方案的方程式。(8),这取决于干扰力,代表强迫振动系统, 主要表现如下:，2 y1r* 12* 12lklFtcosbbcosptytsinddsinptz（11）其中， ，2 02 z2 02 y2 b222 02 zybz pJlkpJ

7、lkAppJlkMpAMb ，2 b222 02 y2 02 zby2 02 yz AppJlkpJlkpMpJlkMd（12） ，2* 02 z2* 02 y2*2 b22* 02 z1a 1JlkJlkAJlklFb ，2*2 b22* 02 y2* 02 z* b1a 1AJlkJlkAlFd （13）通过一般方程式(9)和方程式(11)的解决方案,得出微分方程(8)的通解,即毛坯的最终位移量y和z,其允许的简易速度为。zyvv 和通常,在研究稳态振动值的组件,这决定自由阻尼振动,减少。然而,它是不 可能的实现它在这种情况下,由于操作条件的切削由于表面粗糙度的变化。3.实验分析 3.1车床弹性常数的实验测试接受模拟测试的是车床lk62。在理论分析、计算的准确性取决于双方程度的健身的接受模型真实的系统,以及如何准确地机械特性的车床决心。其中一个特点是车床的弹性常数。后者 是由静态加载的元素,与工件和刀具。力的作用点的选择是根据具体车床典型情 况下的细节来选取的。减少影响的阻力的测试结果,静态刚度是通过弱的振动车 床,兴奋通过运行电动机和在无负载的其他机制。两个负载位置参与测试(图5

8、)。该系统是通过测功器逐步加载步骤100 N,但位移误差在0.002m被 登记的指标在三个点:在尾座(指标1),主轴(指标2)和毛坯(指标3)。图6显示的 结果统计分析实验数据关联函数的形式,那里直接回归系数是未知的刚度。得到的相关系数接近的单位表示线性相关函数之间的负载和位移。例图5：车床的横向和纵向刚度测量图解例图6：相关函数和静态位移之间的负载水平(a)和垂直(b)负载。 3.2空载车床振动的实验分析 静态实验的基础上,得出了毛坯可以被认为是一个理想的固体用弹性铰链铰 接在主轴上二固定的。 因此,该系统与一个自由度振动分析在水平平面(图1), 有两个自由度(图。1,b)是容许的。20.22 SigLab振动分析仪用于测量与特殊在MATLAB软件,设计了多通道声的 调查信号的频带从2赫兹到50千赫。压电加速度计基斯特勒870年和8702年b50 b10基斯特勒与灵敏度的50v / g被使用作为传感器。此外,一个振动计、电子 集电级PICOLOG CMVL 10,是数据用于测量在频带30 Hz到10 kHz。在压电-电感 应器被安装在毛坯和车床本体。 3.2.1无旋转毛坯的实验测试

9、图7显示了振动测量水平和垂直平面的结果;方程式（3）也给出了振动速度 的理论参考结果。实验结果在一定的频率范围内与理论相符。然而,随着频率的增加，理论与 实验结果的差异也越来越大。可以解释为一个自由度的动力学模型的不足。另一方面,安装到毛坯上得加 速度计太少了。如果该传感器是坐落在一个节点的正常模式(例如,在水平振动 的频率188.75和405.00赫兹(图7)和垂直振动频率，则它不记录振动。例图7：无旋转毛坯水平（a）和纵向（b）振动的理论值与实验值对比 理论值与实验值的最大误差分别是123.75和306.00Hz 3.2.2旋转毛坯的实验测试一个类似的实验进行了旋转毛坯的测试。测试进行了在不同频率的旋转的 主轴。与之前的测试相比,在尾座安装了一个传感器。测量结果有了轻微的变化, 但整体情况仍然不变。经与振动计PICOLOG测量,这是在接触表面的旋转的空白。 测试结果在水平和垂直面和方程式（3） 、 （9-12）的振动速度的理论值以及图8 所示的旋转力相一致。主轴的旋转频率是1600 rpm。在图8可以看到的旋转力, 其理论结果与实验结果一致。例图8：旋转毛坯的水平（a）和垂直（b）方向上的振动的理论值与实验值 的对比例图9：切削加工时的水平（a）和

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