（机械设计及理论专业论文）数控电火花成型机床主轴支承系统的研究.pdf

崩墨j 姒掌司【士掌位论文 数控电火花成型机床主轴支承系统的研究 数控电火花成型机床主轴支承系统的研究 摘要 精密电火花成型机床是精密模具制造的重要装备，在模具工业 中发挥着极其重要的作用。现代模具制造要求电火花成型机床具有较 高的加工精度，主轴支承件的力学性能直接影响机床加工精度，所以 合理设计主轴支承件对于提高机床的加工精度具有重要意义。 本文对精密电火花成型机床主轴支承系统进行研究，设计支承件 结构，求解影响支承件的动态力，基于有限元理论来优化结构，最后 对优化后的支承结构的静动特性进行分析，验证设计的合理性。其主 要内容包括： 1 、对四轴精密电火花成型机床的机械系统功能进行分析，合理 设计机床总体布局，确定电火花机床主轴支承系统结构。 2 、对主轴支承系统进行特征建模，建立了动力学模型，分析确 定当主轴运动时，影响支承件变形的主要动态力( 惯性力和耦合力) 和极限工作状态( 加工完退回) 。 3 、进行运动学仿真，验证主轴运动参数是否符合设计要求。另 外，通过仿真后的加速度曲线可以得到影响支承件变形的主轴运动惯 性力。 4 、建立了电极头和工作液的流固耦合模型。用有限元方法求解 电极在工作液中运动时的耦合力，并分析了电极形状对耦合力的影 数控电火花成型机床主轴支承系统的研究 响。 5 、设计几种主轴支承件结构方案，优选具有最好动态性能的主 轴支承结构。并基于虚拟样机技术，定义支承件为柔性体，在极限工 作状态下，受不同动态力时，验证支承件是否有足够的静动刚度，变 形匀差是否符合设计要求。 通过论文的研究，实现了精密电火花成型机床主轴支承系统的 合理设计，对提高精密电火花成型机床的主轴加工精度具有重要影 响。 关键词：电火花成型机床；主轴支承系统；流固耦合；耦合力； 虚拟样机；柔性体 尊皓【j 业，叫塾碍n b 缚啦论文 数控电火花成型机床主轴支承系统的研究 r e s e a r c ho ns p i n d l e ss t r u tm e m b e ro f n u m e r i c a lc o n t r o l e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n e a b s t r a c t m i c r oe l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n ei sak i n do fi m p o r t a n te q u i p m e n to f p r e c i s em o u l dm a n u f a c t u r i n g ，w h i c hh a ss i g n i f i c a n ts t a t i o ni nm o u l d i n d u s t r y m o d e mm o u l dm a n u f a c t u r i n gr e q u i r e s m i c r oe l e c t r i c a l d i s c h a r g em a c h i n et oh a v eh i g h e rm a c h i n i n gp r e c i s i o n ，a n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fs p i n d l e ss t r u tm e m b e ra f f e c tm a c h i n i n gp r e c i s i o nd i r e c t l y , t h e r e f o r er e a s o n a b l ed e s i g n i n go fs p i n d l e ss t r u tm e m b e rh a sh u g e s i g n i f i c a n tt oe n h a n c em a c h i n i n gp r e c i s i o n i nt h i sp a p e r ，r e s e a r c ho ns p i n d l e ss t r u tm e m b e ro fm i c r oe l e c t r i c a l d i s c h a r g em a c h i n ei sg i v e n ，i n c l u d i n gd e s i g n i n g 咖c t u r eo fs t r u t m e m b e r ，r e s o l v i n gd y n a m i cf o r c e ，o p t i m i z i n gs t r u c t u r eb a s e d 0 1 1t h e o r i e s o ff i n i t ee l e m e n tm e t h o d s a tl a s t ，t h ea u t h o rw i l la n a l y s i so fs t a t i ca n d d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f s t r u tm e m b e ra f t e ro p t i m i z a t i o n i tw i l lc e r t i f y t h er e a s o n a b l eo fd e s i g n t h em a i nc o n t e n t si n c l u d e ： 1 a n a l y s i so fm e c h a n i c a lf u n c t i o no nf o u rs h a f t sm i c r oe l e c t r i c a l d i s c h a r g em a c h i n e ，r e a s o n a b l ed e s i g n i n gg e n e r a ll a y o u to fm a c h i n e ，a n d d e t e r m i n et h es t r u c t u r eo f s t r u tm e m b e r 2 。f e a t u r em o d e l i n go fs p i n d l e ss t r u ts y s t e mi se s t a b l i s h e d t h e n 曹钙工大萼u 强士掣啦磺叼 数控电火花成型机床主轴支承系统的研究 e s t a b l i s hd y n a m i c sm o d e l ，a n a l y z i n gt h ea f f e c t i o no fm a i n l yd y n a m i c f o r c e ( i n e r t i af o r c ea n dc o u p l i n gf o r c e ) a n dc e r t a i n i n gl i m i t e dw o r k i n g 3 k i n e m a t i c ss i m u l a t i o ni s g i v e n ，w h i c hc a nv e r i f yw h e t h e rt h e k i n e m a t i cp a r a m e t e r so fs p i n d l ec o h e r ew i t ht h ed e s i g n i n gr e q u e s t a n d t h r o u g ht h ec u r v eo f a c c e l e r a t i o n ，w ec a ng e tt h ee l , f i v eo f s p i n d l e si n e r t i a f o r c ew h i c ha f f e c t sd e f o r m a t i o no fs t r u tm e m b e r g f l u i d s o l i dc o u p l i n gm o d e lo fe l e c t r o d et i pa n dc u t t i n gf l u i di s e s t a b l i s h e d r e s o l v ec o u p l i n gf o r c eo fe l e c t r o d eb a s e do nf e m ( f i n i t e e l e m e n tm e t h o d ) ，w h e ne l e c t r o d et i pi sw o r k i n gi nc u t t i n gf l u i d a n da l s o a n a l y z et h ea f f e c t i o no f e l e c t r o d e s h a p et oc o u p l i n gf o r c e 5 d e s i g ns e v e r a ls 打u c n l i p r o g r a m so f s t r u tm e m b e ra n dc h o o s et h e o n eo ft h eb e s td y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c b a s e do l lv i r t u a lp r o t o t y p e ，s t r u t m e m b e rw i l lb ed e f i n e dt of l e x i b l eb o d y w h e nt h ev i r t u a lp r o t o t y p e o p e r a t e si nd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s ，i tc a r lv 鲥移w h e t h e rt h es t r u t m e m b e rh a se n o u g hd y n a m i cs t i f f n e s sa n dw h e t h e rt h ed e f o r m a t i o n c o h e r e sw i t hd e s i g n i n gs t a n d a r d t h r o u g h t h er e s e a r c ho fp a p e r , i tw i l lr e a l i z et h er e a s o n a b l ed e s i g no f s p i n d l e ss t r u ts y s t e mf o rm i c r oe l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n e ，w h i c hh a s i m p o r t a n ti n f l u e n c e t oi m p r o v et h e m a c h i n i n gp r e c i s i o n o fm i c r o e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n e i v 数控电火花成型机床主轴支承系统的研究 k e y w o r d s ：m i c r oe l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n e ：s p i n d l e ss t r u ts y s t e m ； f l u i d - s o l i dc o u p l i n g ；c o u p l i n gf o r c e ；v i r t u a lp r o t o t y p e ；f l e x i b l eb o d y v 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育 机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 日期：年月日 日期：年月日 学钓正j 挫，“紫羽玑七学位倒”乞第一章绪论 1 1 概述 第1 章绪论 电火花加工( e l e c t r os p a r ke r o s i o n ) ，又称放电加工( e l e c t r od i s c h a r g e m a c h i n i n g ) 和电蚀加工( e l e c t r o e r o s i o nm a c h i n i n g ) 。它是利用两极间脉冲放电 时产生的电腐蚀现象，对材料进行加工的方法i l l 。在学术上它属于电物理加工范 畴。电火花加工技术是特种加工技术中最重要的部分之一。 如图1 1 ，电火花加工时，工具电极和工件分别接脉冲电源的两极，并浸入 工作液中，或将工作液充入放电间隙。工具电极向工件进给，当两电极间的间隙 达到一定距离时，两电极上施加的脉冲电压将工作液击穿，产生火花放电。在放 电的微细通道中瞬时集中大量的热能，温度可高达一万摄氏度以上，压力也有急 剧变化，从而使工件表面局部微量的金属材料立刻熔化、气化，并爆炸式地飞溅 到工作液中，迅速冷凝，形成固体的金属微粒，被工作液带走。在保持工具电极 与工件之间恒定放电间隙的条件下，一边蚀除工件金属，一边使工具电极不断地 向工件进给，最后便加工出与工具电极形状相对应的形状来。因此，只要改变工 具电极的形状和工具电极与工件之间的相对运动方式，就能加工出各种复杂的型 面【2 1 。 图1 1电火花加工原理示意图 1 工具电极；2 - 工件；3 脉冲电源；4 伺服进给系统；s l ，s r 加工间隙 尊钓王工，v 掣啊奠士曹叫塑嘲演 箢一章绪论 由于电火花加工具有能加工普通切削加工方法难以切削的材料和复杂形状， 加工时无切削力、不产生毛刺和刀痕沟纹等缺陷、工具电极材料无需比工件材料 硬等特点，因此，在具有复杂形状的型孔和型腔的模具和零件的加工，各种硬、 脆材料的加工，各种深细孔、异形孔、深槽、窄缝加工，各种成形刀具、样板和 螺纹环规等工具和量具的制造中得到广泛应用。 1 2 国内外的研究现状和发展情况 1 2 1 电火花成型机床的发展情况 自前苏联科学院拉扎连柯夫妇在1 9 4 3 年研制出世界上第一台实用化电火花 加工装置以来，电火花加工技术得到了飞速的发展，电火花成型机床也不断地发 展，瑞士的阿奇公司、夏米尔公司、日本的三菱集团、沙迪克集团和牧野集团等 一直领导着电火花机床的发展潮流。目前，瑞士、日本等国家的电火花成型加工 机床技术上处于领先地位，主要体现在以下几方面： ( 1 ) 电火花铣削加工技术：电火花铣削加工技术也称电火花创成加工技术， 这是一种替代传统的用成型电极加工腔体的新技术，它是由高速旋转的简单的管 状电极做三维或二维轮廓加工( 像数控铣一样) ，因此不再需要制造复杂的成型 电极1 3 5 】。国外已使用这种技术的机床在模具加工中应用。瑞士阿奇、夏米尔， 日本沙迪克、日本牧野等公司都开发出了三维数控电火花成型加工机床，瑞士 s a r i x 公司还推出了六轴( x z c ，a ，b ) 数控精密电火花机床，都能实现电火 花铣削加工。 ( 2 ) 主轴高速跳跃功能：精加工都是小间隙放电加工，可靠排屑对加工的 影响很大，传统的方法是采用冲抽油冲刷排屑，但现在很多的型腔很难做到冲抽 油，而且随着加工要求的提高，冲抽油或侧冲造成不均匀流场、切屑的不均匀分 布，影响精加工表面的平整度。而且冲抽油还会造成边角的损耗，使加工轮廓不 清晰。为了改变排屑方式，瑞士阿奇夏米尔、日本沙迪克、日本牧野等公司都开 发了主轴高速跳跃功能，当电极抬起后，干净的电介液进人间隙，冲淡间隙中污 染的电介液，电极进人后把电介液挤出去，达到把切屑排出、抬刀过程中不放电 和不损耗电极。由于改变排屑方式改善了加工工艺，为深槽、窄缝加工创造了良 好的条件f 4 】。 2 第一章绪论 ( 3 ) 混粉电火花镜面加工技术：大面积电火花加工时，很难获得光整的加 工表面，达到镜面则更难，混粉电火花加工是将直径小于1 5 p r o 的铝粉、硅粉等 导电粉末以一定的浓度混入煤油等工作液中进行电火花光整加工。由于导电微粉 的作用，降低了工作液介质的电阻率和绝缘强度，使电极和工件间的放电间隙增 大，放电间隙中的工作液流动容易，切屑排除容易，减少了短路、电弧等非正常 放电的几率。另外，由于放电间隙中有很多悬浮的导电微粒，原来单一的放电通 道被导电颗粒分割成多个放电通道，精加工的单个放电脉冲能量被多个放电通道 分割成较小的脉冲能量，工件表面的放电凹坑随之变小【6 ，7 1 。混粉电火花加工技 术虽然还存在一些问题，但它可以进行大面积镜面加工，其表面粗糙度可达r a o i p m ，并具有良好的表面质量。国外生产混粉加工机床已有多年历史。 ( 4 ) 智能化电火花加工技术：瑞士是最早研究智能化电火花加工技术的国 家，智能电火花加工技术概括起来主要有优化，先进的智能专家技术，完善的监 测系统，快速反馈、执行系统等等【6 ，”。智能技术的应用将所有影响电加工的因 素( 放电参数、冲液及机械运动指标等) 和对这些因素在不同情况下( 例如深窄 缝、大面积、无冲液等) 的调整集成在专家系统中，通过实时检测放电结果及时 选择最佳优化的各因素组合，达到高效，高表面质量和低损耗。 ( 5 ) 微细电火花加工技术：微细电火花加工技术在精密机械工程及微型机 械、微电子技术、生物医学工程以及航空航天、通信技术等领域中有着日益广泛 的应用前景。例如用于精密液压控制元件、超小型模具、微量型腔模具、以及化 纤喷丝板异型微小孔、发动机燃料喷嘴、集成电路引线模、光导纤维连接器和喷 墨打印头微小孔加工等。实现微细电火花加工的关键在于微小电极的在线制作、 电极的精密伺服进给、放电能量的微小化、以及加工状态的检测控制掣卅。为此， 瑞士夏米尔公司开发了一整套特殊工艺，将间隙检测、加工参数设定和伺服灵敏 调节统一整合，实施精量控制。 我国电火花成型机床的研制始于2 0 世纪5 0 年代后期，1 9 5 8 年研制成功 d m 5 5 4 0 型电脉冲机床，从而开始了电加工机床进入以模具加工为主的时期。 1 9 6 5 年出现的晶体管脉冲电源的d 6 1 4 0 电火花成形机床拓宽了电加工在型腔模 具加工中的应用。可控硅电源和晶体管电源的电加工机床，在7 0 年代得到较大 的发展，它们与不断完善的平动头相结合，使型腔模电火花平动工艺日趋成熟， 3 尊h 工】o t ，v 拳磺士昔日立论文 第一章绪论 促进了型腔模电火花加工的新发展。随着数控技术的发展，8 0 年代电火花机床 有了新的突破，陆续出现了一些高性能的数控电火花加工机床。近年来，瑞士、 日本等发达国家的机床制造企业纷纷在中国建立合资企业，大大促进了我国电火 花加工机床的发展一埘。例如，北京阿奇夏米尔工业电子有限公司开发的数控精 密电火花成型机可实现三轴联动伺服控制，北京市电加工研究所与日本沙迪克公 司合作开发了混粉电火花加工机床，可实现四轴数控、三轴联动功能，加工精度 达到微米级，最佳表面粗糙度达r a 0 0 5 岫。哈工大迈克瑞公司研制了m i c r o 系列大面积镜面混粉电火花加工机床。 1 2 2 机床结构分析优化设计的发展情况 机床静、动态性能是衡量机床设计方案优劣的一项重要的性能指标。机床的 静、动态特性包括：机床的零部件和整机的静态变形、固有频率及其相应的振型 和强迫振动时的响应等。机床结构的静、动态特性对机床加工性能的影响很大， 不仅影响机床的加工精度、使用寿命，也影响着其高效率性能的发挥。因此在结 构分析时必须了解机床的静、动态特性。通常用两种方法来分析评定机床的动态 特性：试验分析测定法；理论分析与试验模态分析相结合的方法f ，埘。 在国外，机床结构的动力学修改和动态优化设计等方面的研究发展很快，并 已将其它领域的知识应用于结构的动力学修改。美国c a t h o l i c 大学g b i 柚d ：l i 等学 者将机床的动态设计与控制相结合；l 0 w a 州立大学的j m v a n c c 与i s u 研究中 心的t p y e h 等学者应用虚拟现实技术来进行机床结构的形状优化设计【1 4 】； m i c h i g a n 大学的t j i a i l g 和m c k e d a s t ，在应用有限元法和动态分析的基础上，提 出一种数学模型来模拟机床结构的联结形式，建立整机的模型并对机床结合面的 联接件( 如焊点、螺栓等) 的位置和数量进行拓扑优化设计【1 5 1 。 同时，美国f o r d ，g m 等汽车大公司利用拓扑优化的设计思想，对汽车简单 薄壁件结构进行优化设计，并在此基础上进行人工的静、动力学修改，既保证了 结构具有优良的动态性能，又节省了大量的制造成本【l6 】。但由于国外机床制造 公司对机床部件的优化设计等内容在技术上保密，很少在文献中看到类似的报 道。 用c a e 有限元分析手段对机床部件进行静、动态分析，国内最近十几年才慢 慢发展并成熟起来。最初，由于受国内计算机硬件条件和有限元分析软件的限制， 4 新铂= 大茸曩士肖q 电地，丈第一章绪论 对机床部件一般只能做二维有限元分析：即将受力最大的横隔板单独取出来，按 照平面受力状态进行计算。这种计算模型虽能得到该横隔板的应力分布状况，但 反映不出该机床其它部分对横隔板的影响，更反映不出机床的刚度水平和动态特 性，因而误差较大。随着计算机水平的发展以及国外优秀有限元分析软件的引进。 开始了机体有限元的三维静态分析。 目前，国内学术界对机床部件进行的动态优化设计仍局限于广义上的优化设 计，其实质是“方案比较”的优化设计。其优化效果的好坏往往取决于设计者的 经验。在计算机工作平台上的虚拟开发环境中，实现设计者制定的目标函数与约 束条件自动完成的优化结果搜索的“自动优化”仅在简单零件上能够实现，利用 数学规划法和优化准则，由计算机自动来完成结构系统的优化过程。这种自动优 化设计还有大量的理论工作和实际问题有待解决。国内结构的优化设计基本上还 是采用人机交互设计的方式，在自由度不多的系统和部件子结构中实现了自动优 化设计，而对于大型复杂的结构则未见报道【1 7 , 1 8 , 1 9 捌。 汤文成、易红对m k 2 1 2 0 a 磨床床身结构的静、动态特性进行分析和优化设 计，通过分析和研究得出改变床身的筋板类型和布局设计是提高床身结构的静、 动态特性的有效手段，并且提出了以导轨的振动变形量作为床身结构设计的主要 依据，建立了床身的结构模型，以床身的结构参数为设计变量，各设计变量对床 身动态性能贡献加权作为结构优化设计的目标函数，最后得到最优的床身设计方 案，同时在机床的参数化设计等方面进行了有益的尝试【2 1 捌。 刘晓平、彭泽民、徐燕申等提出了应用模糊理论来实现机械结构的优化设计 和动力学修正，而陈新、张学良等应用b p 神经网络进行结构的动力学修正和优化 设计，这些方法对于机床机构件的动态优化设计都具有很好的指导意义团l 。 贺银芝等人以机床小立柱模型为例，分别运用试验模态分析及有限元分析其 动态特性，通过将这两种方法有机合理地结合，更精确地确定了该模型各阶段的 固有频率及振型，并成功地将该模型的有限元建模误差控制在1 7 之内，为含有 复杂结合面特性的机床整机有限元建模方法及精度提供了有效的分析手段。 周德廉、陈新、孙庆鸿在m 2 1 2 0 a 原机床动态测试的基础上，建立包括结合 面动力学模型在内的整体机床有限元模型：对机床主要单个部件进行结构动态优 化设计，并利用原机床结合面动力学模型，建立m 2 1 2 0 a 新机床整机的有限元模 5 第一章绪论 型，文中提出以整机第一阶模态的磨头与工件之间相对位移量最小为评价函数， 进行整机多方案比较优化设计。与传统的单件优化设计比较，这种优化方案具有 考虑更全面、效果更可靠的优点洲。 随着机床振动和结构分析理论的迅速发展，先进的动态试验和分析技术的不 断出现，虚拟样机技术的广泛运用以及流固耦合理论的逐渐深入和统一，目前， 已有可能解决电火花机床在工作过程中由于动态力的作用而产生的各种问题。并 能在设计阶段对机床结构的动态性能作理论分析，进行机床结构的动态设计，用 经济、合理的手段获得具有预定力学性能指标的结构，使机床发挥出应有的加工 性能。 1 3 课题研究的背景及意义 我省是模具制造的重要基地，有大小模具企业几千个，但绝大部分企业是中 小型企业，规模小，设备条件差，制造能力不强，模具制造的档次普遍不高。 当前，市场竞争日益加剧，要求模具制造周期越来越短，工业产品零件复杂 化和精度的不断提高，使模具型面更加复杂，微细型腔更多，精度要求更高，而 且随着对模具寿命要求的不断提高，模具材料随之更硬，电火花成型加工技术亦 要跟上这些要求。国内生产的单轴数控电火花成型机床难以满足这些高精度复杂 模具加工的要求，而国外进口设备价格昂贵，一般中小企业难以承受。 在现代模具型面加工中，加工中心高速铣削被广泛应用。高速铣削适合于加 工浅型腔、型面过渡较为平滑的型腔，在大中型型腔的加工中，高速铣削具有一 定的优势，电火花机床将由主角退为配角。但是对于具有深槽窄缝的型腔，加工 中心是无法完成的，必须要电火花机床作补充加工。另外，高速加工中心加工中， 将主要型腔加工的同时，相应的一些细微结构的基准也被切除，使电火花补充加 工时很难定位，因此，要求电火花机床具有多轴数控功能跚。 我省生产电火花加工机床的企业也很多，但大部分都只生产电火花线切割机 床。荷生产电火花成型机床的企业不多，现有的数控电火花成型机床产品只有单 轴数控功能，采用的都是传统的电火花成型加工工艺，不能满足复杂精密模具加 工的要求。 针对上述情况，开展“精密电火花成型技术及四轴数控精密电火花成型机床 6 秘盼3 j ，o 孽啊曩士掌位荫! 文 第一章绪论 开发”，对提高我省电火花成型机床产品的技术水平，促进电加工机床产业的发 展，具有直接的现实意义，另外，为广大的中小模具制造企业和其他需要电火花 成型加工的企业提供先进技术和装备，提升我省模具制造的水平，具有重要而深 远的影响。本课题研究的内容是浙江省科技厅重大科技攻关项目( 精密电火花成 型技术及四轴数控精密电火花成型机床开发) 的一部分，即对四轴精密电火花成 型机床的主轴支承系统的机械系统结构进行研究，设计主轴支承系统，并通过动 态性能分析来优化主轴支承件的结构。本论文的研究内容是对实践工作的总结和 提高。 1 4 课题研究的内容 在整个机床的机械系统各个组成部件设计中，主轴支承系统是一个极其重要 的大件，它的力学性能直接影响主轴电极头的加工精度。支承系统结构的设计尺 寸和布局形式，决定了其本身的各个动态特性。往往由于结构设计不合理，导致 支承系统强度、刚度不足，产生各种变形、振动，加工时电极头与工件间产生相 对变形和振动，使零件加工精度降低。因此，在设计主轴支承系统时，考虑其力 学性能显得尤为重要。 本文主要做了以下工作： ( 1 ) 分析四轴精密电火花成型机床机械系统功能要求，设计机床总体布局、 和主轴支承系统结构； ( 2 ) 运用三维设计软件u g 建立机床实体简化模型； ( 3 ) 运用m s c a d a m s 对主轴进行运动学仿真，验证运动参数是否符合设 计要求； ( 4 ) 建立流固耦合模型，运用m s c p a t r a n 和m s c d y t r a n 求解工作液对主轴 电极头的耦合力； ( 5 ) 运用p a t r a n 和n a s t r a n 对主轴支承件龙门的固有动态特性进行模态分析， 根据分析结果优化结构。 ( 6 ) 运用a d a m s 里柔性体模块对主轴支承件龙门的静动态特性进行分析， 验证龙门的动态特性和静刚度是否满足电火花机床主轴支承件的设计要求。 课题研究的步骤流程如图1 - 2 所示： 7 尊】擅大摩啊囊士掌位荫! 文 第一章绪论 图1 2 课题研究的步骤流程 论文的主要结构如下： 第l 章，绪论。介绍电火花机床的加工原理；国内外电火花机床的发展历史 和研究情况，以及常用机床设计优化的方法；阐述课题研究的背景和意义；介绍 课题研究的主要内容、步骤流程和论文的结构。 第2 章，四轴精密电火花成型机床总体结构分析。对机床的功能和总体布置 进行分析，在此基础上详细设计电火花机床主轴支承系统的机械结构。为后面的 3 营3 0 t ，叫彗习i 士学位论文第一章绪论 运动学分析打下基础。 第3 章，电火花机床主轴运动仿真分析。对主轴支承结构及其他部件进行三 维造型，基于虚拟样机技术和运动学理论，检测运动参数，验证主轴支承结构设 计的合理性。 第4 章，电火花成型机床电极流固耦合分析。详细介绍流固耦合理论，基于 该理论求解工作液对常用主轴电极头的耦合力，通过结果验证耦合力对支承件受 力是否有较大影响，为后面一章支承件的动态性能分析打下基础。 第5 章，电火花成型机床龙门力学性能分析。详细阐述了有限元模态理论和 柔性体理论，基于该理论来优化主轴支承件的结构。并对优化后的结构进行静动 特性分析，验证设计的合理性。 第6 章，总结与展望。总结本文的主要工作，指出需要进一步研究的问题。 9 新缸工业大孽硕士掌位论文第二章四轴精密电火花成型机床总体结构分析 第2 章四轴精密电火花成型机床总体结构分析 电火花成型机床是模具制造的重要装备，在模具工业中发挥着极其重要的作 用，模具生产中，大约三分之一的加工是由电火花加工完成的。在模具型面加工 中，电火花加工机床虽然受到高速铣削的挑战，但高速铣削适合于加工浅型腔、 型面过渡较为平滑的型腔，在大中型型腔的加工中，高速铣削具有一定的优势， 但对于具有深槽窄缝的型腔，具有内清角的型腔、棱边清晰的型腔、微细、复杂、 精密的型腔、深型腔( m 沦5 ) ，则是数控电火花加工的特长【2 。7 1 。在大中型型腔 模中，深槽窄缝、r 0 3 m m 的内清角、清晰的棱边、局部微细、复杂、精密的 型腔等都大量存在，高速铣削后仍有大量的加工需要数控电火花加工去完成。 此外，目前随着e d m 技术的成熟应用，二维零件加工已经逐渐不能满足实 际要求，为了能得到复杂的三维零件，就要求精密电火花成型机床必须具有多轴 联动功能。本文就是设计一种四轴联动的精密电火花成型机床。 2 1 机床机械系统功能分析 一引 1 0 浙骂工业大掌可【士学位论冀 第二章四轴辅密电火花成型机床总体结构分析 部分：动力功能、执行功能和结构功能。其中，动力功能为系统的运行提供必要 的能量；执行功能主要指伺服运动，完成特性的运动方式、定位、加工操作等； 而系统各要素组合起来，进行空间配置、形成一个统一的整体，并保证系统工作 中的强度和刚度，则应由结构功能来实现。 电火花成型机床机械系统总功能分解如图2 2 所示。 电火花机床机械系统总功能 动力 r 上 il 能 能 量量 转传 换递 i 与 门分 趣嘲配 动动 轴 伺 服 运 轴 伺 服 运 轴 伺 服 运 动 动动 广h 厂h 广h 传导检传导检传导检 动向测动向测动向测 图2 - 2 电火花机床机械系统功能分析 轴 回 转 能 l1 支联 承接 根据以上机床总功能分解，建立起机床功能内部的联系，如结构图2 3 所示。 通过功能分析得到系统的功能元后，即可寻求完成功能元的功能载体，功能 载体是相应技术原理的实现。由于科技的快速发展，完成某种功能的功能载体常 常会有多种选择，具体选择哪一种，需要根据预期的功能目标及设备的现实状况 而定。机床功能原理解组合如表2 1 燮查竺竺竺竺竺墨 墨三童婴塑查壑垄堡麴堕堕鳖塑堑 图2 - 3 功能结构图 表2 - 1 功能原理解组合 腥 l234 宽调速力矩 a 驱动直流伺服电机交流伺服电机步迸电机 电机 滚珠丝杠 b 传动齿轮齿条液压 螺母副 c导向线性滑动导轨线性滚动导轨静压导轨 d 位置检测光栅尺脉冲编码器感应同步器旋转变压器 e 制动能耗制动回馈制动反接制动电容制动 新缸工业大学訇【士学位黻 第二章四轴精密电火花成型机床总体结构分析 组合方案数= 4 3 x 3 4 x 4 = 5 7 6 经众多的方案筛选后，选出相对最优方案：电火花机床机械系统设计采取方 案( a 2 + b i + c 2 + d i + e 1 ) 。 机床的x 、y 、z 三轴采用交流伺服电机直接驱动滚珠丝杠的形式，c 轴直 接由交流电机驱动旋转。x 、y 、z 三个坐标导轨采用滚动导轨，这样设计驱动 力矩大、灵敏度高、伺服性能好、加工稳定、定位精度高。图2 _ 4 为常用电火花 成型机床z 轴伺服迸给系统的工作原理图。交流伺服电机通过制动器、离合器 安装在滚珠丝杠上，滚珠丝杠与主轴头上的螺母配合。主轴箱移动采用精密直线 滚动导轨副。强电接通时，制动器放松，电机可带滚珠丝杠旋转，带动主轴头上 下移动。当强电关闭时，制动器锁住丝杠，防止主轴头因自重掉下来。 图2 - 4 电火花成型机床z 轴伺服进给系统 2 2 总体布置分析 电火花机床设计的第二步是确定总体布局方案。机床是由部件装配而成的， 新缸工 j 洋硪士学位诗文 第二章四轴精密电火花成型机床总体结构分析 每个部件在机床中占有一定的位置。选择机床的形式，分配运动以及安排各部件 等在整个机床系统中的位置，即机床的总体布局f 3 川。机床的总体布局是保证实 现机床工艺方案的基础，也是部件和零件的设计依据，对整个机床设计的影响较 大。 机床总体布局设计的一般步骤是，先根据工艺分析，分配机床部件的运动， 不同的工艺方法所要求的机床运动的类别和数目是不一样的。因此，在分析工 艺的同时，还必须分析机床上的运动。然后，选择传动形式和支承形式，并拟 订从布局上改善机床性能和技术经济指标的措施，比如为增强机床的刚性，设 计机床支承形式；为使机床的移动轴具有更快的移动速度而尽量在传动形式上 减轻该轴移动部件的质量和运动惯量等等。 电火花成型加工机床结构有多种形式，常用的结构主要有立柱式、龙门式 和牛头式。 立柱式机床的布置如图2 5 所示，工作台实现x 轴和y 轴平动，主轴实现z 轴进给运动和旋转运动【3 。 3 4 图2 5 立柱式结构 l 一床身；2 一立柱；3 一z 轴伺服电机；4 - _ c 轴伺服电机；5 主轴箱体； 6 一工作液槽、工作台；7 - - x 轴伺服电机；卜y 轴伺服电机 立柱式布置的优点是：结构简单，制造容易，具有较好的精度和刚性，操作 者可以从前、左、右三面充分靠近工作台。缺点是：装卸工件不方便，每次安装、 检测工件都必须开门放油，然后再关门上油，操作较复杂，容易漏油。立柱式结 1 4 第二章四轴精密电火花成型机床总体结构分析 构较适合中、小型机床，国内机床大部分采用此种结构形式。 龙门式机床的布置如图2 - 6 所示。机床的结构特点是：主轴头悬挂在一“门” 式结构的横梁上，类似金属切削机床中的龙门刨床。工作台一般都固定在床身上， 而主轴头可在横梁上做x 方向的移动，工作台或龙门做y 方向的移动，主轴头 则可以实现z 向进给运动和旋转运动【3 2 l 。 图2 - 6 龙门式结构 1 一床身；2 一工作液槽、工作台；3 一龙门；4 一主轴箱体；卜轴伺服电机： 6 _ _ x 轴伺服电机；7 吨轴伺服电机；8 - y 轴伺服电机 龙门式布置的优点是：机床刚性好，精度高，稳定性好。缺点是：制造成本 高，操作不太方便，占地面积大。龙门式结构适合大、中型机床采用。 牛头滑枕式机床的布置如图2 - 7 所示。这种结构形式类似金属切削机床中的 牛头刨床工作台固定不动或实现x 方向移动，主轴头通过滑枕实现y 方向移动 或x 、y 方向移动，主轴头也可以实现z 向进给运动和旋转运动刚。 优点是：装卸、检钡工件十分方便，此结构为设计、安装可升降式工作液槽 提供方便；当可升降工作液槽降下时，工件完全暴露出来，可以方便地对工件进 行安装、检测，完毕后只需要将工作液槽升起即可重新加工，提高了工作效率。 缺点是：结构较复杂，制造成本较高，刚性不如龙门式结构。 第二章四轴精密电火花成型机床总体结构分析 图2 _ 7 牛头滑枕式结构 1 一床身；2 一立柱；3 一y 轴伺服电机；4 一滑座；5 一z 轴伺服电机； 6 _ - c 轴伺服电机；7 主轴头；8 一工作液槽、工作台；卜- x 轴伺服电机 本课题设计的机床要求加工过程中能够实现x 、y 方向的快速定位以及两轴 联动加工，机床采用龙门式结构。机床的总体布置如图2 - 8 所示，电火花机床整 个系统由机床本体、脉冲电源及控制柜和工作液循环系统三部分组成【3 3 l 。 图2 8 电火花成型机床总体布置 1 机床本体的结构：机床本体由底座、龙门、工作台、主轴部件等组成。 主轴部件可在龙门横梁上沿x 方向移动，龙门在工作台上可做y 方向移动，主轴 头则可以实现z 向进给运动和旋转运动。 2 加工成型运动系统：龙门运动采用滚动导轨导向、交流伺服电机驱动， 1 6 新缸王业大学 葑士掌位栳冀第二章四轴辅密电火花成型机床总体结构分析 滚珠丝杠传动。主轴进给运动采用直线滚动导轨导向，交流伺服驱动，滚珠丝杠 传动。 采用此种龙门式结构设计具有以下优点： ( 1 ) 工作台固定，龙门和主轴箱相对工作台作伺服运动，驱动质量小，运 动轻便灵活。 ( 2 ) 工作台固定，加工过程中工件不动，机床的运动不受工件重量的影响， 有利于提高工件加工精度和表面质量。 ( 3 ) 工作台固定，加工中不会引起工作液晃动，有利于加工过程稳定。 2 3 龙门式机床主轴箱的支承方案p 5 ，3 7 】 主轴箱的支承结构如图2 - 9 所示。主轴箱与溜板联接，溜板通过两根直线滚 动导轨支承在龙门上，x 轴的伺服电机固定在龙门上，通过同步带驱动x 轴滚 珠丝杠转动，从而驱动主轴箱沿龙门作x 方向的运动。 轴承单元 球 图2 - g 主轴箱支承结构示意图 其中，主轴箱里c 轴组件结构如图2 - 1 0 所示，主要由电机、编码器、齿轮 箱、驱动轴、近程开关、原始点脉冲作动器、电刷板组件和冲液密封组件组成等。 浙缸工业大掌硕士掌位论冀第二章四轴辅密电火花成型机床总体结构分析 图2 - 1 0c 轴组件结构示意图 龙门是本电火花机床主轴部件的基础支承结构件，它的力学性能好坏将直接 影响到机床主轴的加工精度。因此，后面几章着重对它进行力学性能分析。 2 4 本章小结 本章首先对课题要求的电火花成型机床总功能进行分析，根据功能确定机床 总体布局。然后根据实际要求选择采用龙门式结构布局。最后对龙门式的机械系 统总体结构进行设计，并且具体设计主轴支承结构，为主轴的运动仿真和主轴支 承件的有限元分析打下基础。 1 8 第三章电火花机床主轴运动仿真分析 第3 章电火花机床主轴运动仿真分析 电火花机床主轴z 向往复运动是造成主轴支承结构动态变形的主要因素，对 主轴z 向运动进行研究，其核心是产品虚拟建模和仿真分析。在本章中，将完成 主要零部件的建模和主轴运动的仿真分析，以便对设计方案和产品性能进行评估； 另外为主轴支承件的设计和有限元分析提供详实可靠的理论依据。就机械部分而 言，仿真分折主要是运动学和动力学的仿真分析，本章将对主轴进行z 向运动学 仿真分析。 3 1 实体建模 3 1 ic a d 软件的选择 本文采用u g ( u n i g r a p h i c s ) 软件建立物体的三维模型。 u g 软件是美国e d s 公司的产品。u g 软件功能非常强大，采用单一数据库、参 数化、基于特征和全相关的概念进行建模【3 8 】。u g 系统主要特征如下： ( 1 ) 真正的全数据相关性：任何位置的修改都会自动反映到整个系统中所有相 关的位置。 ( 2 ) 具有真正管理并发进程、实现并行工程的能力。 ( 3 ) 具有强大的装配功能，可以实现计算机模拟加工，能够始终保持设计者的 设计意图，并帮助设计人员实现设计意图。 ( 4 ) 容易使用，操作便利，可以极大地提高设计效率。 ( 5 ) u g 系统用户界面简洁、人性化、智能化，概念清晰，符合工程人员的设计 思想与习惯。整个系统建立在统一的数据库上，具有完整而统一的模型。 由此可见，三维c a d 软件u g 由于具有全相关性和参数化驱动功能，可以实现 三维结构快速建模和修改。 3 1 2 龙门及工作台模型建立 综合考虑计算精度的影响及有限元模型的计算规模，根据圣维南原理，对部 分特征如倒( 圆) 角、小凸台、小螺钉孔、螺纹等进行了适当的简化【3 9 】。龙门三 维模型如图3 1 所示，龙门三视图如3 - 2 所示；工作台三维如图3 3 所示，工作台 竺竺竺查竺骷竺竺兰! 竺 墨三皇皇坐垄垫堕圭塑重垫堕墨坌生 三视图如3 4 所示。 图3 - ! 龙门三维简化模型图 l 一 尹鼍非鞫胃 f i 日 i l t iu岜 图3 - 2 龙门三视图 图3 - 3 工作台三维简化模型图 浙司= e ，“弗习n b 掌位能吁 第三章电火花机床主轴运动仿真分析 。- 图3 - 4 工作台三视图 3 2a d a m s 软件理论基础介绍 多个物体通过运动副连接的系统称为多体系统。对复杂机械系统进行运动学 与动力学分析之前，须建立它的多体系统力学模型，这种抽象实质上是对系统的 如下四个要素进行定义，即物体、铰、外力( 偶) 、力元i 椰j 。 物体：多体系统中的构件定义为物体。多体系统力学模型中物体的定义不一 定与具体工程对象的零部件一一对应。它的定义与研究的目的有关。在运动学分 析中，通常对其运动性态特别关心的零部件定义为物体。 铰：在多体系统中将物体间的运动约束定义为铰，实际工程对象中机构的运 动副是铰的物理背景，然而铰的