数控机床整机动态特性测量技术及其应用项目1:数控机床动力学设计缺陷定位技术研究

机床的动态特性决定了机床切削的能力、机床切削的精度,是影响机床性能最为重要的特性。在加工状态下获得机床整机动力学测试结果,是建立机床数字化虚拟样机、评价机床各主要部件动态性能、发现设计缺陷、结构设计优化和机床性能监测的前提。本项研究基于贝叶斯运行模态分析法(BOMA)对加工状态下的机床整机进行动态性能测试与模态识别,获得整机的模态参数,包括固有频率、模态振型以及阻尼特性等,并对信噪比水平进行评估。通过对模态识别结果进行分析,结合加工过程中机床的动力学测试结果,对机床结构动力学设计的薄弱环节进行精确定位;并进行了相关实验研究,对改进后的机床动力学特性进行了测试,验证了本项研究中方法的有效性。     

机床典型结合部参数优化识别

机床是结构相对较为复杂的工作母机,由许多零部件组装而成,存在着多个"结合部"。据有关文献报道,零件结合面之间刚度和阻尼在很大程度上影响到机床结构总刚度和总阻尼。因此在对机床进行整机动态特性分析研究时,必须考虑结合部问题。目前关于机床零部件之间结合面参数的获取方法各不相同,但对于这种属于"非线性问题"的方法还在不断的探索和完善中,文中提出了一种新的理论解析分析与试验研究相结合的方法,有限地获取了机床结合部的参数,并将该方法用于实际机床的开发设计中,开发的机床已投入实际使用,经动态模拟分析机床整机具有良好的动态特性。     

数控机床立柱结构有限元分析与优化设计研究

立柱是机床基本的零部件之一,其静动态特性对机床整机的性能有很大影响。为保证机床的静动态特性及工件的加工精度,运用SolidWorks三维软件和Ansysworkbench有限元分析软件时立柱进行了静力学分析和模态分析。根据仿真分析结果,针对立柱的薄弱环节进行相应的结构改进优化,并对改进后的立柱进行静动特性分析。仿真结果表明：改进后立柱的变形量减少了7．6％,一阶模态频率提高了27．4％,同时质量减小了26kg,静动态特性得到了明显提高。为数控机床静动态性能的提高提供了理论依据。     

CK5116数控立式机床整机有限元分析

对CK5116数控机床的结构特点,在基于结合面基础特性参数的基础上建立了该机床整机有限元模型,使从图纸设计阶段就能对整机特性进行预测成为可能,并进行了静、动态特性分析,在此基础上找出了机床结构的薄弱环节,为机床结构的优化设计提供了技术支持。     

车铣加工中心关键零部件动态性能研究

机床的动态性能直接关系到机床的加工性能,为了提高机床的加工精度及效率,必须要求机床整机具备优异的动态特性。基于ANSYS Workbench有限元分析软件,研究了CX110100立式车铣复合加工中心关键零部件的动态性能,运用Solid187单元进行网格划分,根据机床的工作实际加载边界条件,实现了加工中心主要零部件的模态分析和谐响应分析,保证了加工中心的设计要求,把有限元分析软件应用于车铣复合加工中心的设计中,对提高加工中心的设计质量具有重要意义。     

机床导轨结合部动态特性的有限元分析方法

基于动态的结合面基础特性参数,研究了机床导轨结合部特性的有限元建模方法,并将其用于机床整机的动态特性分析,为机床整机特性分析中结合部特性参数的确定提供了一种方法,使机床在图纸设计阶段预测整机特性成为可能.首先给出了结合部单元的建模方法,然后通过一个实例,说明了该方法的有效性.     

基于模态预测及敏度分析的机床动特性设计方法

为了提高机床的动态性能,以机床整机固有频率和频响函数振幅为目标,提出基于机床测试数据、进行试验模态分析及灵敏度计算的机床动态特性设计方法。方法首先提取机床测试数据建立机床结构原型模型,逐步计算机床大件结构和整机的固有频率对刚度、质量的灵敏度,确定结构薄弱环节;继而,对薄弱结构,采用模态预测和灵敏度分析方法设计计算,获取更合理的质量和刚度;之后,将设计分析结果输入LMS_Test.lab软件,借助软件完成对原型结构的模态修改,对修改后结构的动力学特性进行模态预测;最后,进行预测结果模态置信验证,确认模态预测的正确性,完整机床动态特性设计方法体系。将该方法应用于实际机床设计中,对比整机优化前后的频响函数曲线和仿真分析验证均证明,基于模态预测及灵敏度分析的机床动态特性设计方法完成的机床优化设计使得机床固有频率得到提高的同时振幅下降,机床的大件结构及整机的动态性能均有提升。     

精密卧式加工中心立柱的结构优化设计

立柱是数控机床极为重要的功能部件,其动静刚度将严重影响机床加工精度。以精密卧式加工中心立柱为研究对象,利用有限元技术分析其动态特性,锁定结构薄弱环节,以此为基础,通过灵敏度法分析立柱壁厚、筋板高度以及厚度结构尺寸对立柱动态特性的影响,并研究了立柱内部筋板布局形式变化对立柱动态特性的影响,最终给出该型机床立柱结构改进建议,研究成果可在一定程度上提升机床整机动静态性能。     

基于ANSYS Workbench的CX8075加工中心关键零部件动态性能研究

基于ANSYS Workbench有限元分析软件,研究了CX8075立式车铣复合加工中心关键零部件的动态性能,并对机床底座进行了优化设计,提高了零件的固有频率,保证了加工中心的设计要求。在机床设计初期运用有限元理论,建立机床结构的有限元模型,在对其进行有限元分析的基础上,通过对机床结构的改进使设计出的机床零件及整机具有较高的静刚度和动态特性,这些新技术的研究和应用,对新机床工作性能的改善、加工精度的提高、开发周期的缩短和开发成本的降低等具有十分重要的现实意义。     

高精度立式磨床关键结合面动态特性研究

机床的结合面是整机动态特性的薄弱环节。应用实验测试和计算机仿真,对机床结合面的动态特性进行研究,以提升整机的动态性能。针对磨床中螺栓连接的关键结合面,建立考虑法向和切向刚度的三维接触刚度模型。将实验测试结果与有限元分析相对比,验证所建结合面模型的正确性。应用该模型,采用增加螺栓个数及提高螺栓预紧力等方法,改进结合面设计,分析改进后的整机动态特性。该方法实现了机床整机结合部的非线性特性的合理处理,以支持机床设计中整机性能的预测。     

<Emphasis Type="Bold">Ductile or Partial Ductile Mode Machining of Brittle Materials</Emphasis>

This paper reports ductile or partial ductile mode machining of silicon, glass and some advanced ceramics. Results are presented using scanning electron micrographs of the machined surfaces. Grinding and lapping operations using inexpensive machine tools could produce ductile streaks on surfaces of these brittle materials under good conditions. Manufacture of spherical glass lenses by the fracture mode or partial ductile mode grinding followed by partial ductile mode lapping and ductile mode polishing is fast and economical. Using partial ductile mode grinding and ductile mode polishing has also been very successful for manufacturing aspherical glass lenses. Reduced polishing time and improved surface quality are due to the presence of ductile streaks. Ground silicon, ZrO2 and Al2O3 also showed ductile streaks. Toroidal SiC surfaces ground with flat-face cup wheels indicated 100% ductile machining, and did not require polishing.     

Replication of skilled polishing technique with serial–parallel mechanism polishing machine

Currently, viscoelastic polymers are used to coat automotive body to prevent scratches. On the other hand, the application of a polymer with high viscoelasticity makes the repair polishing process of the coated body more difficult. Hence, performing the polishing process requires the operator to be technically skilled. However, the number of workers with necessary technical skill has been decreasing because of an aging population. In addition, the surface quality and process time are dependent on the proficiency level of the worker. To automate the repair polishing process, in our past research, a serial–parallel mechanism polishing machine was developed to simultaneously control the tool trajectory, tool posture, and polishing force. The present study aims to construct a replication system of a skilled polishing technique on the basis of the above three physical parameters by applying the developed polishing machine. First, the tool trajectory, tool posture, and polishing force of a skilled worker, which reflect the polishing technique, were acquired using a high-speed camera and a dynamometer. By inputting the acquired data to the developed machine, the machine can copy the polishing technique because the tool trajectory, tool posture, and polishing force can be independently controlled. From the results of the polishing test, the surface quality after polishing was comparable to that of the skilled worker output, which satisfies the criteria of surface quality.     

Configuration design and accuracy analysis of a novel magnetorheological finishing machine tool for concave surfaces with small radius of curvature

Magnetorheological finishing (MRF) is a computer-controlled deterministic polishing technique that is widely used in the production of high-quality optics. In order to overcome the defects of existing MRF processes that are unable to achieve concave surfaces with small radius of curvature, a configuration method of a novel structured MRF machine tool using small ball-end permanent-magnet polishing head is proposed in this paper. The preliminary design focuses on the structural configuration of the machine, which includes the machine body, motion units and accessory equipment, and so on. Structural deformation and fabrication accuracy of the machine are analyzed theoretically, in which the reasonable structure sizes, manufacturing errors and assembly errors of main structural components are given for configuration optimization. Based on the theoretical analysis, a four-axes linkage MRF machine tool is developed. Preliminary experiments of spot polishing are carried out and the results indicate that the proposed MRF process can achieve stable polishing area which meets requirement of deterministic polishing. A typical small-bore complex component is polished on the developed device and fine surface quality is obtained with sphericity of the finished spherical surfaces 1.3 µm and surface roughness Ra less than 0.018 µm.

     

环状部件内外表面同步抛光机的研制

对于形状复杂且具有特殊要求的工件,目前主要以手工抛光为主,因而工件很难获得均匀的表面质量。本文介绍了一种新研制的环状部件内外表面同步抛光机,描述了其结构和特点,论述了抛光加工的主要工艺和操作规程,并通过离子氮化后卡套的抛光照片和断面扫描电镜照片验证了其具有加工质量高的特点。该抛光机有较高的抛光效率和精度,可对环状部件内外表面同步抛光,成本低、占地面积小,可适用于大小环状部件连续生产化的精密抛光。     

氮化硅陶瓷回转曲面零件化学机械抛光工艺实验研究

在数控坐标磨床上应用化学机械抛光(Chemo-mechanical polishing,CMP)技术,对氮化硅陶瓷回转曲面零件进行超精密加工工艺实验研究.分析了氮化硅陶瓷化学机械抛光原理,并搭建化学机械抛光实验平台.通过实验研究了水基CeO2抛光液浓度、抛光液流量、抛光轮转速等主要工艺参数对氮化硅陶瓷零件抛光的表面质量的影响规律,根据实验结果对抛光工艺参数进行了优选.结果表明:在抛光液浓度为20%,抛光液流量为0.6 L/min,抛光轮转速为6 000 r/min的条件下,能获得较好的抛光表面质量,其表面粗糙度Rα达12 nm.     

虚拟轴混联机床研抛模具自由曲面的分片规划

采用虚拟轴混联机床进行模具自由曲面的精加工,为了提高模具自由曲面的研抛精度和效率,论述自由曲面的分片抛光方法。根据计算机图形信息构造特点,将自由曲面划分为一系列曲面信息与工艺特征相同或相似的曲面片族,相似的曲面片族采用相同的工具和相近的工艺参数进行研抛加工。通过理论计算和仿真验证,此方法能够提高研抛效率。     

磁流变斜轴抛光及其路径控制

为解决磁流变抛光较小曲率半径(φ8 mm以下)非球面光学零件困难和抛光效率不高等问题,以四轴超精密机床为平台,开发出一种基于磁场辅助的磁流变斜轴抛光工艺,采用微小磁性工具头斜轴抛光方式,通过X轴、Y轴、Z轴、B轴四轴联动,控制抛光路径,防止干涉,实现微小非球面的超精密抛光.并对微小磁性斜轴抛光工具头的抛光路径轨迹进行了分析计算,采用驻留时间修正方法对误差进行修正,在此基础上开发出适用于微小非球面斜轴抛光的数控加工与修正软件.     

变向恒速平动研磨机的研制

所研制的变向恒速平动研磨机,其工件平面相对于研磨盘的运动速度大小恒定,而方向沿圆周轨迹的切线方向循序渐变.分析与试验表明该实验机可获得高的研磨质量和高的生产率,并具有长寿命、对加工及安装精度要求低等特点.     

非直线管零件的磨粒流加工实验研究

为探讨磨粒流加工非直线管零件的加工机理及加工工艺,以共轨管为研究对象,利用自行研制的磨粒流抛光液对磨粒流加工非直线管关键工艺参数进行实验研究,定量化评价工件表面粗糙度与加工参数间的显性关系,探讨关键工艺参数对工件表面精度的影响,实验证实磨粒流加工确实可以明显改善非直线管零件的表面质量,从而提高非直线管零件的工作可靠性和使用寿命。实验结果可为磨粒流加工理论的优化研究提供参考,对确定磨粒流加工非直线管零件最优工艺方案具有一定的指导意义。     

浮法抛光原理装置及初步实验

浮法抛光是当前超光滑表面高效加工技术之一。本文介绍了浮法抛光原理装置及初步实验结果。利用这项技术对φ30的K9玻璃样片进行实验,经过2～4小时的抛光后,表面粗糙度值优于1nmRa.