基于Abaqus的高速立式加工中心立柱冲击振动研究_王延忠

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机床振动是加工过程中不可避免的，它不仅使工件和刀具的相对位置发生变化，影响加工精度，而且加速了刀具磨损，进一步影响加工精度，同时还产生污染环境的噪声。研究表明，机床的加工质量在很大程度上取决于机床所产生的振动，特别是高速、高精度的机床，振动对其影响尤其明显，因此，机床振动是机床动态特性研究的首要问题[1]。

BVG 系列高速立式加工中心是北京机电院研制开发的一种轻型龙门式高速铣床，工作台实现一个直线轴，主轴实现两个直线轴的运动，定位精度为：X ：0．010mm ，Y 、Z ：0．008mm 。研究机床立柱在切削载荷不同作用时间条件下的振动及衰减情况，可为提高机床加工性能提供理论性指导及建议。

1有限元模型的建立

利用Pro /E 建立立柱的三维模型，为减少计算量，提高计算精确度，对模型进行适当简化。

1）去掉结构中存在的小倒角和小圆角（R 5及以下

的圆角简化为直角，R 5以上的圆角按实际尺寸保留）；

2）去掉结构中存在的小台阶以及对分析影响不大的凸台；

3）去掉次级安装孔及部件上各个附件的安装面。简化后，模型如图1所示。

将简化好的模型导入Abaqus 软件，定义材料属性为铸铁，密度ρ为7200kg /m 3，弹性模量E 为210GPa，泊松比μ为0．28。立柱模型较为复杂，

采取自由网格划分方式，并采用单元精度较高的10节点修正二次四面体单元C3D10M 对立柱进行网格划分，模型总节点数46667，单元数2305。定义立柱与床身的连接表面为完全固定约束(如图2所示)。

2立柱的模态分析

在结构动力学分析中，模态分析扮演着重要角色，

它主要用于计算模型的固有模态的两个基本参数：固有频率和振型。它们表明了系统自由振动的特性，是系统固有的。参考结构的固有频率，一方面可以在设计与改进时使结构的固有频率避开其在使用过程中的外部激励频率；另一方面，通过对模态振型的分析，了解部件的弯曲刚度和扭转刚度的分布情况，找出部件结构的薄弱环节和可能的破坏区域从而为部件动力学优化设计提供必要的依据。

设置Abaqus 的分析步类型为频率，提取立柱的前30阶固有频率值。立柱的一、二阶振型如图3、4所示。立柱的前10阶固有频率见表1。

立柱在切削力冲击作用下的主要运动方向是沿Z

基于Abaqus 的高速立式加工中心立柱冲击振动研究＊

□

王延忠1

□

吕晓宇1

□

孙红梅1

□

刘

强1

□

高琦2□沈华红2

1．北京航空航天大学机械学院

北京

1001912．北京机电院高技术股份有限公司

北京

100027

摘

要：以BVG 系列高速立式加工中心的立柱为对象，通过有限元分析软件Abaqus ，研究立柱在不同冲击载荷作用

时间下的振动衰减、变形、应力变化情况，为机床减少振动、提高机床加工性能提供理论参考。

关键词：立柱

Abaqus

冲击振动

中图分类号：TH113．1；TB122

文献标识码：A

文章编号：1000－4998(2010)09－0024－03

Abstract:Taking the column of the series BVG high －speed vertical machining center as an example，the research on the impact vibration，deformation and stress variation under different impact loads is carried out with the help of the finite element analysis software Abaqus，thus providing the theoretical guidance for reduction of vibration and improvement of machining perfor-mance．

Key Words:Column

Abaqus

Impact Vibration

研究·开发

＊国家科技重大专项项目(编号：2009ZX04001-012-02)收稿日期：2010年4月

2010/9

25

模态阶数12345频率/Hz 64．8106．5107．7244．7281．9模态阶数678910频率/Hz

311．3

391．9

420．5

467．2

491．4

研究·开发

方向（切削力方向）的移动，经有限元计算得，沿此方向前30阶模态激发的总质量是1．5t ，立柱总质量为1．656t ，激发质量占总质量的90．6%，在主运动方向上的总有效质量超过模型中可运动质量的90%，因此可以认为在频率提取上提取了足够数量的模态。

3

立柱的瞬时模态动态分析

3．1

定义模态动力学态分析步，确定阻尼系数立柱的前30阶固有频率中，最高频率值是992

Hz，相应的周期是1/992=0．001s，选定时间增量值应小于最小周期，此处取为0．0005s 。为了观察振动衰减情况，定义分析步总时间为1s 。

阻尼系数很难确定，通常需要试验研究。此处选用直接模态阻尼，根据经验，一般选取阻尼系数为临界阻尼系数的5%，为了更好地观察立柱的衰减过程，定义前15阶模态阻尼系数为4%，后15阶为5%。3．2

定义切削载荷

选取特定的铣刀，经理论计算得高速立式加工中心在铣削过程中的最大切削力为9402N ，此处认为单个立柱所承受的切削载荷为总载荷的一半，即4701N 。

立柱受切削力的冲击频率是由刀具齿数及主轴转速决定的。根据切削条件的不同，此处研究当切削力的瞬时冲击作用时间分别为0．05s 、0．10s 、0．20s 时立柱的振动衰减情况。3．3

定义用于历史输出的集合

为了减少计算量，此处定义导轨上的4个节点作为一个集合，Abaqus 仅输出此集合的位移量，定义的4个节点及相应位置如图5所示。3．4

计算结果

当冲击载荷作用时间为0．05s 、0．10s 、0．20s 时，分别提取4个节点在X 、Y 、Z 三方向上的衰减时间及最大位移。如图6所示，当冲击载荷作用时间为0．05s

时，立柱沿X 方向变形在0．25s 之后衰减为零，在0 0．055s 时间内沿X 负方向变形，最大变形量发生在第0．007s 节点2位置，最大变形量为1．1μm ，0．055 0．25s 朝X 正方向变形，最大变形发生在第0．054s 节点4位置，

最大变形量为0．9μm 。任意选取立柱导轨上的一个单元，提取它的应力变化情况，如图7所示，当冲击载荷作用时间为0．05s 时，0．20s 之后应力逐渐衰减为0，最大应力发生在0．01s 时，最大应力值为0．18MPa 。

综合所有分析结果，统计结果见表2。

4结论

通过上述分析可得如下结论：

1）沿主运动方向部件所受冲击载荷的作用时间越

长，主运动方向的变形衰减时间越长，但最大变形值都相同；

表1立柱前10阶固有频率值