作者：RAJ REDDY
       摘要：平面磨床的結(jié)構(gòu)由底座構(gòu)成，底座則支撐著其他機(jī)床零件，如床柱、往復(fù)臺(tái)、砂輪、主軸和主軸電機(jī)等。利用平面磨床加工時(shí)通常會(huì)在工件上觀察到紋路。研究表明一些機(jī)床零部件會(huì)產(chǎn)生過大的振動(dòng)，這些紋路就是由于機(jī)床結(jié)構(gòu)的振動(dòng)所致。因此，對(duì)工作狀態(tài)下機(jī)床的特性進(jìn)行研究就十分必要。共振會(huì)導(dǎo)致機(jī)床機(jī)構(gòu)本身和零部件的陡然振動(dòng)，進(jìn)而影響表面拋光并產(chǎn)生紋路。本研究對(duì)最大工作速度為3000rpm的平面磨床模型進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和研究分析。為避免產(chǎn)生共振，機(jī)床模型尺寸進(jìn)行了修改，模型的自然頻率進(jìn)行降低或增大。實(shí)驗(yàn)研究法成本昂貴，研發(fā)周期長(zhǎng)；因此，本研究采用的是有限單元法（FEM），對(duì)機(jī)床的振動(dòng)特性進(jìn)行研究。借助模態(tài)分析法對(duì)平面磨床進(jìn)行建模和分析以找到引起振動(dòng)的薄弱環(huán)節(jié)，然后改善薄弱環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)，重復(fù)分析步驟并將振動(dòng)降低到可接受程度。實(shí)驗(yàn)還對(duì)振幅和振動(dòng)速度進(jìn)行諧波分析，利用分析性程序?qū)EM的預(yù)測(cè)值進(jìn)行確認(rèn)。
       關(guān)鍵詞：平面磨床,共振,振動(dòng),頻率,諧波分析
       多數(shù)工程機(jī)械及其結(jié)構(gòu)在某種程度上都會(huì)發(fā)生振動(dòng)現(xiàn)象，一臺(tái)機(jī)床也不能完全避免機(jī)械振動(dòng)。一般情況下，多數(shù)系統(tǒng)的振動(dòng)幅度都較小，但也有一些新機(jī)器在投入使用之處會(huì)發(fā)生劇烈振動(dòng)，其原因可能在于機(jī)床結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)問題。這種振動(dòng)如果利用一定的分析方法，可以得到規(guī)律性結(jié)論，用于解決機(jī)床可能會(huì)出現(xiàn)的故障。
       振動(dòng)分析以以下特性假定其特殊意義：
       * 從設(shè)計(jì)的角度來看，需要了解振動(dòng)的量級(jí)和頻率以確保產(chǎn)生的應(yīng)力在加工材料所能承受的范圍內(nèi)；
       * 如果發(fā)現(xiàn)在一定速度下操作機(jī)床時(shí)，機(jī)床以一定的頻率發(fā)生共振，那么就可以根據(jù)此參數(shù)進(jìn)行調(diào)整并最終避免振動(dòng)；
       * 在振動(dòng)衰減和振動(dòng)隔絕方面，有必要了解振幅和頻率以選擇正確的阻尼材料。
振動(dòng)的成因
       * 機(jī)械結(jié)構(gòu)中有兩個(gè)因素影響著振幅和振動(dòng)頻率，一個(gè)是施以的激發(fā)（態(tài)），一個(gè)是機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)此激發(fā)的響應(yīng)。激發(fā)（態(tài)）或結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)屬性的變化會(huì)引起振動(dòng)的變化。激發(fā)態(tài)的起因一方面是外部來源如地面、側(cè)風(fēng)、地震等；另一方面是機(jī)床結(jié)構(gòu)的內(nèi)部來源如移動(dòng)載荷，旋轉(zhuǎn)和往復(fù)的電機(jī)、機(jī)械等。這些激振力和運(yùn)動(dòng)在時(shí)間上呈周期性或諧波性，亦或是沖擊和脈沖負(fù)載，又或者具有天然的隨機(jī)性。
       * 機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)激發(fā)態(tài)的響應(yīng)取決于應(yīng)用方法、激振力和運(yùn)動(dòng)的位置以及機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)屬性如天然頻率和固有阻尼水平。
振動(dòng)的降低
       降低激發(fā)態(tài)或機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)激發(fā)態(tài)的響應(yīng)可以減弱機(jī)械結(jié)構(gòu)的振動(dòng)水平。有時(shí)，在機(jī)床的設(shè)計(jì)階段通過改變對(duì)應(yīng)裝備、重新部署機(jī)床結(jié)構(gòu)就可以降低激振力和運(yùn)動(dòng)從而確保產(chǎn)生的振動(dòng)不會(huì)傳輸至底座支撐系統(tǒng)。移動(dòng)激發(fā)態(tài)來源至另外一個(gè)位置或者增大結(jié)構(gòu)中的阻尼可以改變結(jié)構(gòu)的剛度，從而改變結(jié)構(gòu)性響應(yīng)。
平面磨床
* 平面磨削工藝用于對(duì)平整工件表面進(jìn)行拋光加工，是一種利用砂輪對(duì)工件上的金屬或非金屬切屑進(jìn)行去除和拋光的磨料加工工藝。通過平面磨削可以得到精致的工件表面。
       * 平面磨床由砂輪、卡盤、往復(fù)臺(tái)或者回轉(zhuǎn)臺(tái)構(gòu)成。加工工件時(shí)，用卡盤夾持著工件。對(duì)于鐵磁材質(zhì)的工件則使用磁鐵卡盤；對(duì)于非鐵磁和非金屬材質(zhì)的工件則采用真空或機(jī)械夾持的方式。在加工非鐵磁材質(zhì)的工件時(shí)，如果僅有磁性卡盤可用，則可以使用鐵磁鋼或鑄鐵制備而成的機(jī)用平口鉗夾持工件。平面磨削工藝中需要考慮的因素主要是砂輪材料和工件材料。
       * 典型的工件材料有鑄鐵和低碳鋼，這兩種材料在加工時(shí)不易堵塞砂輪。其他材料還包括鋁、不銹鋼、黃銅和塑料等。在進(jìn)行高溫磨削加工時(shí)，材料容易被弱化并容易被侵蝕，進(jìn)而導(dǎo)致材料磁性的損失。
       * 平面磨床的精度取決于機(jī)床類型和用途，多數(shù)平面機(jī)床都能夠?qū)崿F(xiàn)±0.002mm（0.0001”）的精度。
文獻(xiàn)綜述
       Y.X.Jiang, W.X.Tang, G.L.Zhang, Q.H.Song, B.B.Li和B.Du利用模態(tài)試驗(yàn)對(duì)磨床的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究和分析。該試驗(yàn)在改善磨床的動(dòng)態(tài)特性方面為優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)奠定良好基礎(chǔ)。
       Z.Y. Weng, W.D. Xie, B. Lu, Y.W. Ye, H.Yao and X.S. He對(duì)平面磨削工藝中的磨削顫振和表面紋路進(jìn)行試驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示切削深度是影響磨削顫振和表面紋路的首要因素。
       Zeyu Weng, Bo Lu, Hongwu You,Honggang Ding, Yong Cai, Guanchen Xu和Nannan Zhang研究了砂輪形貌對(duì)磨削顫振和表面紋路的影響。研究結(jié)果表明磨削深度是其主要影響因素。實(shí)驗(yàn)對(duì)磨削顫振和表面紋路的形成機(jī)制做了進(jìn)一步研究。
Tonshoff, H.K.,和Foth, M對(duì)外圓磨削工藝中單粒金剛石修整引起的表面紋路進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示修整導(dǎo)致的圓周紋路和砂輪振動(dòng)引起的紋路類似。
方法論
       ANSYS是一個(gè)用于工程分析的有限單元計(jì)算機(jī)程序，是整個(gè)CAD環(huán)境不可分割的一部分。FEA分析的最終目的是為了在算術(shù)上重新塑造一個(gè)實(shí)際工程系統(tǒng)的特性。換而言之，F(xiàn)EA分析必須是物理原型的精確數(shù)學(xué)模型。廣義上講，該模型由所有節(jié)點(diǎn)、單元、材料屬性、有效常數(shù)、邊界條件等構(gòu)成。
       *平面磨床模型的規(guī)格
       平面磨床模型材料為鑄鐵，楊氏模量11001N/mm2，泊松比0.28，密度7.8×10-6kg/mm3。模型尺寸規(guī)格如下：
       床身2000×500×700mm，厚度20mm；
       床柱400×200×700mm，厚度20mm；
       砂輪頭280×200×180mm，厚度20mm；
       工作臺(tái)1400×385mm，厚度100mm。
       *砂輪規(guī)格如下：
       砂輪直徑200mm；厚度50mm；砂輪重量6kg；主軸重量16kg；電機(jī)重量15kg。
       主軸材料為鋼，楊氏模量21000N/mm2，泊松比0.28，密度7.8×10-6kg/mm3。主軸模型尺寸如下：
       直徑70mm；前軸承（Φ60×Φ100）mm；后軸承（Φ50×Φ90）mm。
       模型上施加的負(fù)載和力如下：
       砂輪負(fù)債20kg；電機(jī)負(fù)載30kg；砂輪承力0.44kg；電機(jī)承力0.7226kg。
平面磨床幾何模型
       圖a、b為平面磨床的幾何模型和網(wǎng)格模型。先對(duì)磨床外殼施以負(fù)載，然后在Y軸方向上對(duì)其施以力。