摘要: 多功能數控磨床順應了我國核電風電、航空航天、機械制造等產業的迅速發展。其動態特性會對大尺寸零件的生產加工精度以及穩定性產生直接影響。本文針對MGK28120 立式靜壓轉臺磨床的結構特點以及其加工過程中所遇到的問題，提出優化磨床結構，提升磨床動態性能的改善意見。
關鍵詞: 多功能數控; 磨床; 動態特性; 結構
由于目前我國國內的磨床使用程度較為單一，無法滿足日益增長的生產需求，進行大型精確度要求高的機械制造時，極大程度上依賴引進國外的磨床設備。因此業內人士開始研發具有更多功能，更高精確度以及更強的使用性能的磨床。多功能數控磨床成為研究人員所探討的熱點課題。如何加快我國自主研發多功能數控磨床的腳步，優化磨床結構，成為急需解決的問題之一。
1 、總體結構分析
本文以立式圓臺磨床MGK28120 為例進行多功能數控磨床的研究工作，此種磨床所采用的是整體立式結構的布局，床身具有高強度的特點，并且在立柱上直接安裝有水平移動導軌，在左右兩側設置有可垂直移動的磨頭，左磨頭用來進行工件的內外圓加工，右磨頭對上端面進行加工，可以在進行零件加工過程中一次完成出底面工序外的其他所有工序。
1． 1 磨床MGK28120 總體結構
①驅動: 西門子交流伺服驅動，這種驅動極適用于對大中型回轉體類零件的精密加工工作; ②進給系統:使用大型預負荷直線滾柱導軌進行運動部件的支撐作用，通過大扭矩伺服電機直連大直徑預負荷滾珠絲杠驅動運動部件高精度直線光柵尺實現全閉環位置控制［1］; ③主軸系統: 以中間止推動靜壓油膜軸承技術為設計基礎，進行細節化的劃分，主要分為兩部分，分別是立主軸與臥主軸。MGK28120 技術參數見表1。
表1 MGK28120 技術參數表
1． 2 MGK28120 結構模型
本研究采用三維建模軟件SolidWorks 建立磨床CAD 模型［2］，且利用軟件裝配設計功能，對磨床進行組裝與三維建模，模型如圖1 所示。由于磨床鑄件頗多，存在不同小特征，這些特征會對有限元模型處理及分析求解造成較大的不利影響，因此，決定在不影響各部件整體結構的前提下，對類似于倒角、圓角、退刀槽以及線槽等鑄件進行簡化處理。另外，由于CAD 軟件與有限元處理軟件存在數據接口問題，因此，需在Solidworks用x － t 格式存儲模型，以便于后續導入有限元分析軟件ANSYS Workbench 中進行有限元模型處理［3］。
圖1 磨床模型
1． 床身2． 回轉工作臺3． 立磨頭主軸4． 立磨頭支架5． Y 向導軌6． Y 向滑塊7． 滑鞍8． X 向滑塊9． X 向導軌10． 臥磨頭支架11． 臥磨頭12． 立柱
1． 3 關鍵結合面
機床的主要結合面為螺栓、導軌、絲杠以及軸承的結合面，本研究中主要探討螺栓以及導軌結合面對磨床動態性能的影響。磨床MGK28120 的床身立柱結構圖見圖2 ( 立柱結構的仰視圖) 。立柱長3050mm，寬708mm，螺栓沿中線對稱分布，后側螺栓1 位于中心對稱軸上，1、2 螺栓相距378mm，2 、3 和3、4 螺栓兩兩相距均為466mm，4、5 兩個螺栓與x 方向相距215mm，左右兩側各一個螺栓( 左側靠近立柱后面那個孔是螺栓孔，右側靠近立柱前面的孔是螺栓孔) ，床身立柱一共是通過14 條GB900 雙頭螺柱A 型M20 螺栓連接，螺栓鎖緊力矩為208N． m。
圖2 立柱結構
A． 立柱三維圖B 床身立柱螺栓結合面
床身與地面的地腳螺栓分布見圖3 ( 仰視圖) ，床身長3050mm，寬2000mm，床身與地面是8 個8． 8 級M24 地腳螺栓連接，螺栓鎖緊力矩為250N． m。
圖3 床身結構
A． 床身三維圖B 床身地腳螺栓分布圖
右滑鞍系統導軌滑塊結合面見圖4，圖中四個角上為四個滑塊，通過兩個水平導軌安裝在床身上，采用的是THK 公司的產品SＲG 55C 導軌滑塊系統，SＲG55C型號直線導軌系統是滾柱保持器型滾動導軌。
圖4 右滑鞍系統結構
A． 滑鞍系統三維圖B． 導軌滑塊結合面
2． 1 測試結果
對整機進行激振實驗以及信號數據采集，并用分析軟件對數據進行變時基傳遞函數分析［4］。數據分析流程見圖5。
圖5 試驗模態數據分析流程圖
磨床具有結構復雜的特點，所以進行模態擬合時需要采用頻域法。采用頻域法時為防止丟失模態，需要注意對模態進行定階，模態收集情況見圖6，圖中總共收集了21 階的模態，因磨床轉速不高，所以只列出模擬測試結果中的前四階模態作分析見圖7，模擬測試第四階的有頻率及振型情況見表2。
圖6 整機模態集總平均定階
圖7 前四階模態振型
2． 2 結果分析
①第1、2 階: 通過對第1、2 階模態的振型圖解讀可以看出，在第1 階時，磨床整機的立柱繞x 軸彎曲，且上側幅度大，下側幅度小，床身具有剛體位移，立柱床身結合面處振幅變化明顯。由此可知，對最低階模態產生影響的因素是整機沿z 軸方向的約束剛度以及立柱與床身結合面的剛度。想要提高磨床MGK28120 最低階固有頻率，就要提高這兩個部位的剛度。在第2階時磨床整機繞y 軸扭曲和x 軸扭曲，中軸線部位的點振幅小，遠離中軸線部位振幅逐漸增大，沿y 軸方向非線性關系形式向上振幅逐漸增大，結合面處上側變化大，下側變化小。所以第2 階的固有頻率也與機床與地的連接剛度以及立柱與床身的結合面剛度有關。
②第3、4 階: 第3、4 階的次頻率雖然已超出工作頻率的半功率頻帶寬( ± ) ，但對其進行分析研究還是必要的。從第3、4 階模態的振型來看，如想要使這兩階的固有頻率有所增長，就需要將兩個滑鞍的結構進行修改，從而抑制磨頭在z 軸方向以及x 軸方向的振動。
3、 動態特性及結構優化
3． 1 動態特性
表2 磨床整機結構前四階固有頻率
通過上文的分析可知，在整機處于低頻階段時，其床身產生位移的幅度小，但立柱的振動情況十分明顯，當發生立柱的振動時，會引發整機磨頭部分的彎曲或者發生平衡振動的情況，當砂輪發生明顯的平衡振動情況時，將會直接對磨床加工的精度造成不利影響。而在磨床后期的模態振型逐漸提高，此時的床身位移振幅變大，振型穩定，加工過程也會更為精確。由此看來，在進行磨床的應用過程中，床身以及立柱的結合面是對磨床的加工精度產生重要影響的一個因素，在進行磨床的結構優化過程中需要予以重視 。
3． 2 結構優化
由于磨床的結構復雜，因此想要對磨床整機的各部分參數都進行結構優化是很困難的，因此，通常在優化磨床的結構時，有選擇性的對重要的零部件結構進行優化，繼而達到整機集成優化的效果［6］。在對磨床整機的各部分進行結構優化時，需要注意，要保持各部件的前幾階固有頻率值差距明顯，避免各部分的值過于接近，若各部件的固有頻率過分相近，就會在與外界激勵相同的情況下，引發整機的更大震動，使加工精度受到影響，因此，在進行磨床的結構優化時，需充分的把握好模態分離工作。
4、 結束語
機械制造業是國民經濟的支柱性產業之一，機床加工更是機械制造業的基礎組成部分，加強磨床的使用性能，對我國的工業科技發展具有十分關鍵的作用，因此加深對新型多功能數控磨床的動態特性研究，加快對其結構的優化進程，才能夠更好地促進我國機械制造產業向更高更強化發展，實現經濟效益的提升。
如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
