CN104133418B

CN104133418B - 一种基于切削渐变宽度凸台的机床激励方法

Info

Publication number: CN104133418B
Application number: CN201410339456.0A
Authority: CN
Inventors: 李斌; 毛新勇; 蔡辉; 闫睿智; 罗博; 张译寒; 刘响球; 潘大为; 彭芳瑜
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2014-07-16
Filing date: 2014-07-16
Publication date: 2017-02-01
Anticipated expiration: 2034-07-16
Also published as: CN104133418A

Abstract

本发明公开了一种基于切削渐变凸台工件的机床激励方法，通过利用刀齿对宽度渐变的凸台型工件进行切削，从而产生脉宽渐变的脉冲力序列以激励机床，其包括：(1)确定工件凸台的渐变宽度，包括窄端宽度a_nw和大端宽度a_bw；(2)确定工件凸凸台的长度a_l(3)根据上述长度和宽度参数加工出凸台工件；(4)根据机床刀齿的转速n，进给量a_f以及背吃刀量a_p，利用刀齿对凸台工件进行切削，刀具和渐变凸台之间的切削力对机床结构施加脉冲激励信号，从而产生脉冲宽度和幅值都逐渐增大的脉冲切削力激励机床。本发明的方法不仅可以大大降低模态试验的激振成本，而且可以在工作状态下，根据需要和具体对象，对机床进行可控激振，获得机床在工作状态下的动力学特性。

Description

一种基于切削渐变宽度凸台的机床激励方法

技术领域

本发明属于机械装备结构的动力学分析领域，尤其涉及一种机床激励方法。

背景技术

机床的动力学特性对于改善其加工性能，优化结构设计至关重要。

目前获得机床结构动力学特性主要方法是基于机床静止状态下进行人为激励的实验模态分析法。该方法的主要特点是对机床结构施加特定的激励力，激励出机床的动力学特性，即机床模态，并同时测量该激励力和机床结构的振动响应以识别出机床模态，用该模态来表征机床结构的动力学特性。

然而，该方法只能获得结构处于静止状态下的频响函数。大量研究证明，机床结构在工作状态下的动力学特性会发生变化，而在实际应用当中，人们更多关注的是机床在工作状态下的动力学特性。为了获得机床在工作状态下的动力学特性，则首先需要对机床在工作状态下实现有效激励，以激励出所感兴趣频带内的所有机床模态。

目前，对所感兴趣频带内的所有机床模态的激励主要是力锤或激振器激励，但是，机床装备每个部件质量大，若采用力锤敲击，敲击力小了难以激发出模态，敲击力大了又可能对装备造成损伤；若采用激振器激励，常规激振器的功率也难以激发出所需要的模态，特大功率激振器不仅激振频率低难以满足机床频率特性的要求，而且价格昂贵，安装复杂。而且，力锤和激振器只能用于机床静态下的激励，机床工况下进行敲击或激振器激振会导致严重的安全和机床损伤风险。因此，传统的激励方法无法满足机床在工作状态下实现有效激励的需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种基于切削宽度渐变的特殊工件，产生脉宽渐变的脉冲力序列以激励机床的方法。该方法通过设计长凸台，实现刀齿和凸台多次碰撞产生一系列脉冲激励力；通过设计凸台的宽度逐渐变化，实现激励脉冲宽度的逐渐变化，达到有效激励频带逐渐变化，从而实现在工作状态下对机床进行简单可控的激励。

本发明为实现上述目标所采用的具体技术方案为：

一种基于切削渐变凸台工件的机床激励方法，通过利用刀齿对宽度渐变的凸台型工件进行切削，从而产生脉宽渐变的脉冲力序列以激励机床，其特征在于，该方法包括：

(1)确定工件凸台的渐变宽度，包括窄端宽度a_nw和大端宽度a_bw；

(2)确定工件凸凸台的长度a_l

(3)根据上述长度和宽度参数加工出凸台工件；

(4)根据机床刀齿的转速n，进给量a_f以及背吃刀量a_p，利用刀齿对凸台工件进行切削，从而产生脉冲宽度和幅值都逐渐增大的脉冲切削力，对机床结构施加脉冲激励信号，实现激励机床。

作为本发明的改进，上述步骤(1)中，具体包括：

(1.1)确定所要分析的频域带宽BW_1st/2

(1.2)根据上述感兴趣的机床结构的频带BW_1st/2、所使用的刀具直径D以及主轴的平均转速n利用下式计算出凸台的平均宽度

{\overset{&OverBar;}{a}}_{w} = \frac{πnD}{60 B W_{1 st}}

(1.3)根据平均宽度确定窄端宽度a_nw和大端宽度a_bw，使得：

a_{w} = \frac{a_{nw} + a_{bw}}{2}

作为本发明的改进，上述步骤(2)具体包括：

(2.1)确定需要的脉冲激励数，即刀齿和凸台发生碰撞的次数M；

(2.2)由下式计算凸台长度a_l：

a_{l} = \frac{M}{nN} a_{f}

其中N为刀具的刀齿数，a_f为进给量。

本发明中，凸台的高度a_p可根据激励次数和加工工艺规定的用量确定。

本发明中，大端宽度a_bw要小于相邻两个刀齿之间的弦长，但为了保证形成脉冲激励的效果，优选设定大端宽度a_bw要小于相邻两刀齿之间弦长的一半。

本发明中，对机床进行渐变脉冲切削力激励是指机床刀具和渐变凸台之间的切削力对机床结构实施的脉冲激励信号。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明可以在无需外加激励条件下，通过切削宽度渐变的凸台产生脉冲持续时间和幅值渐变的切削力，即可完成对机床结构的激振，不仅可以大大降低模态试验的激振成本，而且可以在工作状态下，根据需要和具体对象，对机床进行可控激振，获得机床在工作状态下的动力学特性。

附图说明

图1为按照本发明实施例的切削渐变凸台激励机床的示意图；

图2为按照本发明实施例的实测切削力时域图；

图3为按照本发明实施例分别在切削渐变凸台和传统力锤敲击激励下同一点响应功率谱比较示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例中优选以XHK5140型立式加工中心为例对本发明的方法进行说明。

对于XHK5140型立式加工中心来说加工方式主要以铣削为主，选择以铣削单渐变凸台的方式实现脉冲切削，刀具选用盘铣刀，只安装一个刀片，保证每次切削只有一个刀齿切削。

本实施例的基于切削渐变凸台工件的机床激励方法包括以下步骤：

(1)设计工件凸台的渐变宽度：窄端宽度a_nw和大端宽度a_bw(本实施例中单位优选是毫米，mm)；

(1-1)确定机床结构所感兴趣的频带范围BW_1st/2，例如本实施例中优选为250Hz；

(1-2)采用的刀具为可转位毂形刀盘(本实施例中优选型号KM12-80-27-5T)和硬质合金刀片(本实施例中优选型号SEHT1204)，查产品手册得刀具直径D为80mm；选取切削转速n为400rpm；根据公式(1)计算得到为3.35mm，取整为3mm；

(1-3)刀盘齿数本实施例中优选为5，相邻刀齿间弦长约为45mm，为了保证切削力近似脉冲，本实施例中优选设计大端宽度a_bw为4mm，则窄端宽度a_nw为2mm；

(2)设计工件渐变凸台的长度a_l；

(2-1)设定需要的脉冲激励数，即刀齿和凸台发生碰撞的次数M为35；

(2-2)设计确定进给量a_f优选为1000mm/min；

(2-3)为了方便拆卸减少操作，采用单齿切削以减少操作，即N＝1；

(2-4)由式(3)计算得到渐变凸台长度a_l优选为87.5mm，恰好有长度为80mm的工件，为方便加工，取a_l优选为80mm；

(3)为了能够进行多次激励尝试，渐变凸台的高度a_p可优选为5mm；

(4)以上确定的参数有：转速为400rpm，进给为1200mm/min，渐变凸台窄端宽度为2，大端宽度为4mm，高度都为5mm；

(5)通过切削渐变凸台产生渐变脉冲切削力激励机床。

由图2可见渐变凸台切削激励方法达到了预期的单脉冲激励的效果，其有效激励频带，即切削力功率谱的平直段，达到250Hz，也和设计的一致；激励信号幅值比普通的小力锤敲击激励高，和20公斤大力锤的敲击能量相仿。图3为常规力锤敲击和渐变凸台切削激励下，相同点振动信号功率谱的比较。由图可见，切削渐变凸台激励下，机床的模态被充分激励出来，振动响应的功率谱和常规敲击下的功率谱几乎平行，但切削渐变激励下的响应功率谱明显比敲击下的高10dB，即10倍。切削渐变激励方法显示出了优良的激励效果。

以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明保护范围内。

Claims

1.一种基于切削渐变凸台工件的机床激励方法，通过利用刀齿对宽度渐变的凸台型工件进行切削，从而产生脉宽渐变的脉冲力序列以激励机床，其特征在于，该方法包括：

(2)确定工件凸台的长度a_l；

(3)根据上述长度和宽度参数加工出凸台工件；

(4)根据机床刀齿的转速n，进给量a_f以及背吃刀量a_p，利用刀齿对凸台工件进行切削，从而产生脉冲宽度和幅值都逐渐增大的脉冲切削力，对机床结构施加脉冲激励信号，实现激励机床；

其中，所述步骤(1)中，具体包括：

(1.1)确定所要分析的频域带宽BW_1st/2；

{\overset{&OverBar;}{a}}_{w} = \frac{π n D}{60 {BW}_{1 s t}}

(1.3)根据平均宽度确定窄端宽度a_nw和大端宽度a_bw，使得：

{\overset{&OverBar;}{a}}_{w} = \frac{a_{n w} + a_{b w}}{2};

上述步骤(2)具体包括：

(2.2)由下式计算凸台长度a_l：

a_{l} = \frac{M}{n N} a_{f}

其中N为刀具的刀齿数，a_f为进给量。

2.根据权利要求1所述的一种基于切削渐变凸台工件的机床激励方法，其中，所述凸台工件为宽度沿进给方向渐变的凸台。