薄壁圓筒銑削的動力學(xué)分析分析畢業(yè)設(shè)計

1、摘 要薄壁回轉(zhuǎn)體工件加工一直是機(jī)械加工業(yè)的一個難點，因為此類零件的剛度很差，加工過程中力變形、熱變形比較嚴(yán)重，零件的尺寸精度和形位精度難以達(dá)到加工要求，廢品率高，生產(chǎn)效率很低。本文根據(jù)高速切削和車銑技術(shù)的優(yōu)越性，從建立切削薄壁回轉(zhuǎn)體的動力學(xué)模型出發(fā)，應(yīng)用大型有限元軟件ansys對薄壁回轉(zhuǎn)體工件進(jìn)行了靜力分析，模態(tài)分析，諧響應(yīng)分析。并詳細(xì)分析了在不同厚度時的薄壁件的固有頻率的變化關(guān)系以及它的合位移等值線圖的變化規(guī)律，從厚度4一直切到0.3。由靜力分析得出，薄壁回轉(zhuǎn)體所能承受的最大應(yīng)力和最大位移量；由模態(tài)分析得出，薄壁件的固有頻率與工件的厚度關(guān)系，并且和工件的材料與薄壁件的長度有關(guān)系，隨著厚度的增

2、大薄壁件的固有頻率也隨著增大。由模態(tài)分析得到的合位移等值線圖看出，薄壁回轉(zhuǎn)體的各階的固有頻率處的最大變形有很大區(qū)別，因此在進(jìn)行切削時就要選擇好刀具的切削頻率。在同一位置，若切削速度選的不好就可能和薄壁件的固有頻率一樣，引起共振；由諧響應(yīng)分析得出，在切削的過程中，在什么頻率下切削引起的共振振幅最大，在切削過程中應(yīng)盡力避開這幾個頻率切削。關(guān)鍵詞：薄壁回轉(zhuǎn)體，車銑，有限元，靜力分析，模態(tài)分析，諧響應(yīng)分析目 錄1 緒 論11.1論文研究背景及意義11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀51.2.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀51.2.2國外研究現(xiàn)狀61.3研究的內(nèi)容及方法71.4本章小結(jié)82 車銑加工方法92.1車銑加工的定義92.2

3、車銑技術(shù)的發(fā)展歷史102.3 車銑技術(shù)的主要特點112.4 車銑技術(shù)的主要內(nèi)容122.5 正交車銑運動學(xué)122.6 車銑中的圓周刃、端面刃切削力132.7 主要切削參數(shù)對圓周刃、端面刃切削力163 薄壁回轉(zhuǎn)體靜力分析18 3.1靜力分析的基本概念183.2靜力分析的基本步驟183.2.1建模173.2.2加載173.2.3觀察結(jié)果和后處理183.3 tc4薄壁件的靜力分析流程193.4 后處理213.5 本章小結(jié)244 薄壁回轉(zhuǎn)體的模態(tài)分析254.1模態(tài)分析的基本概念254.2模態(tài)分析的有限元基礎(chǔ)254.3 模態(tài)分析的基本步驟294.3.1建模294.3.2加載294.3.3模態(tài)擴(kuò)展304.3

4、.4觀察結(jié)果和后處理314.4 tc4薄壁件的模態(tài)分析流程314.5 后處理314.5.1同一厚度時不同階的最大合位移量分析314.5.2厚度與不同階固有頻率關(guān)系分析414.6 本章小結(jié)445 薄壁回轉(zhuǎn)體的諧響應(yīng)分析465.1 諧響應(yīng)分析的基本概念465.2 諧響應(yīng)分析的基本步驟465.2.1建模465.2.2進(jìn)入ansys求解器475.2.3觀察結(jié)果和后處理475.3 tc4薄壁件諧響應(yīng)分析流程485.3.1建模及定義tc4薄壁件的材料屬性及網(wǎng)格劃分495.3.2進(jìn)行諧響應(yīng)分析的設(shè)置495.3.3加載505.3.4觀察結(jié)果及后處理和1mm厚度時振幅與頻率之間的關(guān)系505.3.5比較0.5mm

5、厚度和1mm厚度的薄壁回轉(zhuǎn)體諧響應(yīng)分析的結(jié)果535.4 本章小結(jié)56結(jié)論57致謝58參考文獻(xiàn)59附錄a 英文原文61附錄b 漢語翻譯741 緒 論1.1 論文研究背景及意義隨著我國汽車工業(yè)，國防工業(yè),航空工業(yè)的飛速發(fā)展和不斷進(jìn)步，各類薄壁回轉(zhuǎn)體零件也不斷涌現(xiàn)，薄壁回轉(zhuǎn)體工件的精密加工卻是機(jī)械加工業(yè)的一個難點，因為此類零件的剛度很差，加工過程中力變形、熱變形比較嚴(yán)重，零件的尺寸精度和形位精度難以達(dá)到加工要求，廢品率高，生產(chǎn)效率很低。例如內(nèi)燃機(jī)汽缸的汽缸套是內(nèi)燃機(jī)中磨損最嚴(yán)重的零件之一，也是決定內(nèi)燃機(jī)大修期的重要零件。隨著人們對大功率輕質(zhì)量小體積低油耗內(nèi)燃機(jī)的不斷追求，汽缸套變的越來越薄。如4jb

6、1型柴油機(jī)的干式汽缸套，其外徑為95mm，壁厚僅為1mm，內(nèi)外壁表面粗糙度ra0.2m，重要尺寸公差和型位公差均為5級。在該類工件的切削加工中，內(nèi)壁鏜孔，珩磨和外圓磨削等工序常常產(chǎn)生強烈的振顫，加工后的缸套內(nèi)壁和外壁會留下波浪型的振紋，嚴(yán)重影響了加工質(zhì)量。又如某新型號炮彈，其材料為鋁合金，藥腔體直徑200mm，壁厚僅為2mm，且腔體壁上還有一個40mm40mm的方形通孔?，F(xiàn)行工藝中在對其內(nèi)外表面精車后，銑削方孔時工件常發(fā)生變形，廢品率極高?？v上所述，影響復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)件加工變形的主要因素是：工件的原始?xì)堄鄳?yīng)力、工件的裝夾、工件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、刀具的變形、工件受力變形、工件熱變形、機(jī)床的精度與剛度

7、以及其它因素等。在國外，隨著高速切削技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，在航空制造中，一些大尺寸薄壁件，如：整體壁板、整體翼肋、整體隔框、以及變厚度蒙皮均采用數(shù)控高速銑削的方式加工，這些大尺寸的薄壁件減輕了飛行器的重量，提高了結(jié)構(gòu)強度與生產(chǎn)效率。所以，嚴(yán)格控制切削時的加工變形誤差是結(jié)構(gòu)件滿足工作性能、裝配精度和工作可靠度等要求的基本保障。由于結(jié)構(gòu)件的彈性柔度特性（如某型號機(jī)翼大梁長約10多米），由切削力及切削應(yīng)力所引起的構(gòu)件彈性變形是不可避免的，同時這也是導(dǎo)致加工誤差的主要原因。在設(shè)計階段進(jìn)行定量的分析，合理的進(jìn)行工藝設(shè)計包括正確的選擇加工工藝參數(shù)，以保證加工誤差滿足制造精度的要求。工藝設(shè)計和加工過程是產(chǎn)品生命

8、周期中的兩個重要的環(huán)節(jié)，工藝參數(shù)合理與否將直接影響加工效率和產(chǎn)品的質(zhì)量。因此這兩個環(huán)節(jié)間的信息交流和反饋對加工尤為重要。由于加工過程極為復(fù)雜，很難憑借經(jīng)驗對整個過程進(jìn)行評估，因此，必須通過計算機(jī)仿真加以預(yù)測，以便對加工工藝和加工過程參數(shù)進(jìn)行選擇優(yōu)化。對薄壁件用數(shù)控高速切削機(jī)床進(jìn)行加工，如果我們能夠建立薄壁件加工時的預(yù)評估模型，掌握加工時的動力學(xué)特性對加工精度的影響。我們就可以以此為依據(jù)對加工工藝進(jìn)行合理的優(yōu)化。本課題旨在研究高速車銑薄壁件時的動力學(xué)特性對加工精度的影響、分析薄壁圓筒在加工時的受力，建立薄壁圓筒在加工時的振動方程，以及各個加工參數(shù)對加工變形的影響。因此開展此課題的研究具有很強的實

9、際意義和很高的應(yīng)用價值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀薄壁件的變形研究在國內(nèi)外引起了廣泛的關(guān)注，許多科技工作者在這一領(lǐng)域進(jìn)行了深入的研究，提出了許多好的方案并應(yīng)用于生產(chǎn)實踐。1.2.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀目前國內(nèi)已開展的薄壁件加工變形方面的研究，主要是結(jié)合生產(chǎn)實際，提出了一些加工過程中某些具體工件或具體工序的解決方案，也對殘余應(yīng)力的測試總結(jié)出了一些原則另外對仿真作了一定的理論研究。這些研究雖然解決了一些加工中的具體問題，但一般是以過去的實踐經(jīng)驗為基礎(chǔ)，憑主觀推理應(yīng)用到新零件的加工過程中。各工廠大多以技術(shù)攻關(guān)方式解決了一些具體零件的加工變形問題，基本上對其它的零件加工沒有太大的指導(dǎo)作用，也難以形成基本的工藝方法指

10、導(dǎo)體系。浙江大學(xué)在這方面的研究主要針對工件受銑削力影響產(chǎn)生的應(yīng)力和變形，另外對原始?xì)堄鄳?yīng)力對加工變形的影響，裝夾方案對加工變形的影響也有所涉獵，在加工變形誤差計算方面，國內(nèi)的蔡慧林【2】使用材料力學(xué)的梁彎曲公式，粗略的考慮了小尺寸銑刀順銑時由于刀具彎曲變形所引起的工件尺寸誤差與刀具補償措施，但由于模型過于簡單，該方法只能用于定性研究模具等高剛度構(gòu)件加工的建模，不適用與薄壁件的加工變形仿真。目前，北京航空航天大學(xué)的魏麗和鄭聯(lián)語【3,4】研究了改進(jìn)薄壁件數(shù)控加工質(zhì)量的進(jìn)給量局部優(yōu)化法，定性地提出將優(yōu)化過程分為四步：修改切削參數(shù)、確定關(guān)鍵區(qū)域、確定邊界點、修改刀位文件。南京航空航天大學(xué)的王志剛等人與

11、成都飛機(jī)工業(yè)公司張平等人【5】合作在假設(shè)刀具為剛體的情況下運用arsys有限元軟件模擬了航空零件典型結(jié)構(gòu)方框銑削加工的變形和刀具補償方法，根據(jù)定性的分析，假設(shè)了切削力的分布公式。之后，南京航空航天大學(xué)的武凱等人【6】在他的基礎(chǔ)上更進(jìn)一步提出了將工件和刀具都視為彈性件，建立了工件和刀具的柔性模型，并用有限元軟件進(jìn)行了模擬與試驗。在試驗中他們采用的是真空吸附夾緊方式。南方航空動力機(jī)械公司譚彪和南京航空航天大學(xué)范炳炎【7】使用algon sap91有限元系統(tǒng)對某型號飛機(jī)主梁的加工開展了有限元建模與變形分析。西飛國際數(shù)控中心李應(yīng)時8在“準(zhǔn)高速”切削條件下對某型機(jī)進(jìn)氣道唇口口框零件從工藝的安排上進(jìn)行了分

12、析，解決了工件加工的變形問題。北京衛(wèi)星制造廠趙長喜、劉景祥9從組合工裝的設(shè)計方面對某型衛(wèi)星的艙體類零件進(jìn)行了研究，等等。1.2.2國外研究現(xiàn)狀目前國外在復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的加工變形方面，常用的方法有應(yīng)力分析控制法、薄壁件的低熔點合金支持法、夾具特性分析與夾緊優(yōu)化分析等。但是，影響因素的復(fù)雜性使航空復(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工變形成為飛機(jī)制造中的關(guān)鍵難點之一。在歐美發(fā)達(dá)國家也是如此，一些個別的變形控制技術(shù)則是金錢難以買到的機(jī)密。但有關(guān)子技術(shù)的類似問題己經(jīng)有很多文獻(xiàn)介紹研究成果：薄壁零件銑削表面誤差的靜態(tài)有限元分析和動態(tài)預(yù)報模型；應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)控機(jī)床熱變形的補償方法；利用試驗和分析兩種方法，來預(yù)測因裝夾而引起的工件

13、變形，并進(jìn)行補償?shù)?。從中可以看出，國外在工件的裝夾、工件受力變形及機(jī)床的熱變形對加工變形的影響方面做了一定的研究工作。例如，利用磁流變液相變迅速、屈服強度大等特點，targ研究了磁流變液柔性夾具的可能性。但由于典型磁流變液的屈服強度約為100kpa,而這對柔性夾具來說是不夠的。targ采用加壓的方法使磁流變液的屈服強度達(dá)到了800kpa以上，從而滿足了精密加工所需的承載能力【8】。gu等人10在研究面銑過程工件變形誤差的預(yù)估方法又進(jìn)一步考慮了刀具、工件變形以及主軸傾斜因素的影響。此外，masset等人【11】使用kierzle指數(shù)切削力模型研究了車削與面銑加工變形誤差的有限元計算策略問題，基于

14、i-deas軟件強大的cad建模與單元網(wǎng)格劃分功能，將i-deas與rastrar求解器集成在一起。該方法已被應(yīng)用于法國雷諾汽車公司的pro-active新款汽車齒輪箱部件的加工精度控制領(lǐng)域，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。在周銑加工方面，elbetawi與sagheriar【12】從刀具與工件的動力學(xué)角度出發(fā)建立了薄壁件變形仿真模型。工件采用8節(jié)點實體單元近似，銑刀近似為一系列軸對稱旋轉(zhuǎn)盤單元的集合，提出了加工參數(shù)與刀具幾何參數(shù)的優(yōu)化選取方法。budak和altintas【13】深入研究了具有三邊自由，一邊固定邊界條件的高柔度矩形薄壁板件的數(shù)值建模與銑削變形誤差問題。該模型考慮了因材料的去除而引起的工

15、件剛度降低的效應(yīng)，同時對考慮刀具工件相互作用的柔性效應(yīng)模型與不考慮該效應(yīng)的剛性模型進(jìn)行了計算比較和試驗驗證，發(fā)現(xiàn)對于柔性效應(yīng)薄壁件模型具有很高的準(zhǔn)確性，而剛性模型計算誤差最大可達(dá)50。此外，該工作還提出了通過調(diào)整刀具進(jìn)給速度減小加工變形誤差的思路，并建立了滿足公差要求的進(jìn)給速度粗略近似比例計算方法。毫無疑問，該工作代表著目前最有成效的研究成果。另一方面，高速切削加工（high speed machining）過程的建模也得到了廣泛的重視，oze【14】使用有限元非線性軟件defom-2d研究了切削應(yīng)力、切削溫度的分布狀況。fuh等人【15】利用傅立葉級數(shù)展開方法研究了主軸轉(zhuǎn)速、刀具進(jìn)給量、軸向

16、、徑向切削深度與切削力的關(guān)系。但是，影響因素的復(fù)雜性使航空復(fù)雜結(jié)構(gòu)件加工變形成為飛機(jī)制造中的關(guān)鍵難點之一。在歐美發(fā)達(dá)國家也是如此，一些個別的變形控制技術(shù)則是金錢難以買到的機(jī)密。但有關(guān)問題的子技術(shù)已有許多文獻(xiàn)介紹：薄壁件銑削表面誤差的靜態(tài)有限元分析和動態(tài)預(yù)報模型；應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)控機(jī)床熱變形的補償；利用試驗和分析的方法，來預(yù)測因裝夾引起的變形，并進(jìn)行補償?shù)?。從中可以看出，國外在工件的裝夾、工件受力變形及機(jī)床的熱變形對加工變形的影響方面做了很多的研究。13研究的內(nèi)容及方法薄壁零件剛性差，在加工過程中因受到切削力、夾緊力以及切削熱和殘余應(yīng)力極易產(chǎn)生變形，所以控制加工變形是保證薄壁零件數(shù)控加工質(zhì)量的

17、關(guān)鍵，在眾多的加工變形控制措施中，如進(jìn)給量局部調(diào)整、刀具路徑修正、改進(jìn)裝夾方案和改進(jìn)毛坯的結(jié)構(gòu)工藝性等，本課題的研究對象是薄壁零件。航空航天產(chǎn)品由于受使用條件和環(huán)境的制約，對材料有很高的要求。對航空材料來說，以鋁合金、鈦合金、鎂合金為主，另外有少量的超高強度鋼和不銹鋼等。鋁合金密度適中、塑性好、耐腐蝕、易加工、價格低，一直以來都是航空航天工業(yè)的主要結(jié)構(gòu)材料。本文采用理論分析、數(shù)學(xué)建模、有限元模態(tài)分析和試驗的方法開展研究工作。開展研究工作之前，綜合考慮各種試驗條件、經(jīng)濟(jì)條件，力求研究方法實用可行。它包括以下幾個方面的內(nèi)容：(1)建立車銑薄壁回轉(zhuǎn)體的動力學(xué)模型。(2)使用ansys對薄壁圓筒進(jìn)行靜

18、力分析。(3)使用ansys對薄壁圓筒進(jìn)行模態(tài)分析。(4). 使用ansys對薄壁圓筒進(jìn)行諧響應(yīng)分析。1.4本章小結(jié)本章首先介紹了本論文的研究背景及現(xiàn)實意義，然后介紹了薄壁件變形研究的國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，最后提出本論文的主要研究內(nèi)容及方法。2 車銑加工方法2.1 車銑加工的概念車銑是利用銑刀旋轉(zhuǎn)和工件旋轉(zhuǎn)的合成運動來實現(xiàn)對工件的切削加工，使工件在形狀精度、位置精度、表面粗糙度及殘余應(yīng)力等多方面達(dá)到使用要求的一種先進(jìn)切削加工方法。它不是車削與銑削的簡單結(jié)合，而是在當(dāng)今數(shù)控技術(shù)得到較大發(fā)展的條件下產(chǎn)生的一種高新切削技術(shù)。車銑加工包括銑刀旋轉(zhuǎn)、工件旋轉(zhuǎn)、銑刀軸向進(jìn)給和徑向進(jìn)給四個基本運動。銑刀的旋轉(zhuǎn)運

19、動是主切削運動。切削速度由銑刀旋轉(zhuǎn)速度和工件旋轉(zhuǎn)速度共同決定，其中銑刀旋轉(zhuǎn)速度是決定切削速度的主要因素，特別是在高速、超高速車銑加工中，工件旋轉(zhuǎn)速度對切削速度的影響可以被忽略。切削的進(jìn)給速度由工件旋轉(zhuǎn)速度、銑刀軸向進(jìn)給速度和徑向進(jìn)給速度三個基本速度共同決定，其中工件旋轉(zhuǎn)速度對進(jìn)給速度的影響遠(yuǎn)大于其它兩個基本速度。工件旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的切向線速度即為銑刀的周向進(jìn)給速度，它的大小等于工件的轉(zhuǎn)速與工件周長的乘積；銑刀的軸向（或徑向）進(jìn)給速度則等于工件的轉(zhuǎn)速與銑刀在工件每轉(zhuǎn)時沿工件軸向（或徑向）移動距離的乘積。銑刀的直線進(jìn)給運動根據(jù)不同加工的需要可采用軸向進(jìn)給（如加工軸類零件）或徑向進(jìn)給（如加工盤類零件）運動

20、，也可同時采用軸向進(jìn)給和徑向進(jìn)給（如加工錐體零件）運動。，車銑不是單純的將車和銑兩種加工手段合并到一臺機(jī)床上，而是利用車銑合成運動來完成各類表面的加工。依據(jù)工件旋轉(zhuǎn)軸線與刀具旋轉(zhuǎn)軸線相對位置的不同，車銑加工主要可分為軸向車銑、正交車銑以及一般車銑。依據(jù)工件和刀具旋轉(zhuǎn)相對方向的不同，它們又都可分為順銑和逆銑兩種不同的形式，圖1.1.2所示。其中軸向車銑和正交車銑是應(yīng)用范圍最廣泛的兩類車銑加工方法，它們分別有各自的特點及局限性。軸向車銑由于銑刀與工件的旋轉(zhuǎn)軸線相互平行，因此它不但可以加工外圓表面，也可加工內(nèi)孔表面。但由于它們的旋轉(zhuǎn)軸線相互平行，如銑刀直徑小于其主軸箱體徑向尺寸時，就限制了銑刀的縱向

21、行程，這種情況下不適宜用軸向車銑加工軸向行程較長的外圓表面或較深的內(nèi)孔表面。與此相反，如銑刀直徑大于其主軸箱體徑向尺寸，軸向車銑也可進(jìn)行長軸外圓和深孔內(nèi)表面的車銑加工。正交車銑由于銑刀與工件的旋轉(zhuǎn)軸線相互垂直，它不能對內(nèi)孔進(jìn)行加工，但在加工外圓表面時由于銑刀的縱向行程不受限制，且可以采用較大的縱向進(jìn)給，因此在加工外圓表面時效率較高。2.2 車銑技術(shù)的發(fā)展歷史 與其它科學(xué)技術(shù)一樣，車銑技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展與生產(chǎn)實踐是分不開的。1955年德國的h.weber總結(jié)了大量的實際生產(chǎn)經(jīng)驗，在生產(chǎn)技術(shù)上發(fā)表了用硬質(zhì)合金刀具銑削圓柱表面一文1，詳細(xì)介紹了銑削圓柱表面時進(jìn)給量、切削速度等主要參數(shù)的選用，并對已加工

22、件的表面精度進(jìn)行了詳細(xì)研究。該文獻(xiàn)對后來車銑技術(shù)的研究產(chǎn)生了重要的影響，它介紹的用銑刀加工圓柱表面的方法，就是車銑技術(shù)的一種基本加工方法軸向車銑的早期萌芽。1983年德國的k.p.sorge在他的博士論文車銑技術(shù)2中系統(tǒng)地研究了車銑技術(shù)的另一種基本加工方法正交車銑，對正交車銑的運動原理、已加工件的表面精度、切削力、切削速度等進(jìn)行了開拓性的研究工作。目前，德國的aachen工業(yè)大學(xué)和darmstadt工業(yè)大學(xué)都設(shè)有專門從事車銑技術(shù)研究的研究中心。這兩個研究中心是德國11個重要的機(jī)械研究中心中主要的兩個，各類實驗用的機(jī)床、測試儀器及科研設(shè)備非常齊全，科研水平處于世界前列。在這兩個研究中心里，眾多的

23、科研人員在車銑原理、車銑運動學(xué)及動力學(xué)、已加工件表面質(zhì)量、不同材料的車銑工藝性、車銑加工中心的設(shè)計與測試以及cad/cam等多個領(lǐng)域內(nèi)從事研究工作。尤其值得關(guān)注的是darmstadt工業(yè)大學(xué)機(jī)床及生產(chǎn)工程研究所的shultz.h教授將長期從事高速銑削技術(shù)的研究成果成功地與車銑技術(shù)相結(jié)合，開創(chuàng)了高速、超高速車銑新領(lǐng)域。這些研究成果支持德國機(jī)床工業(yè)制造出了商品化的cnc車銑中心。 車銑基礎(chǔ)理論是對車銑技術(shù)進(jìn)行全面研究的基礎(chǔ)，由于可以理解的原因，國外有關(guān)車銑基礎(chǔ)理論研究的文獻(xiàn)很少見到，特別是用數(shù)學(xué)方法對車銑運動和工件的表面特征進(jìn)行分析的文獻(xiàn)更難得到。從掌握的資料來看，目前人們對車銑技術(shù)的研究主要集中

24、在車銑切削過程及車銑工藝和設(shè)備兩個方面126。 國內(nèi)對車銑技術(shù)還沒有進(jìn)行過系統(tǒng)的研究，20世紀(jì)六七十代在一些工廠的生產(chǎn)革新中出現(xiàn)過旋風(fēng)銑削，這是車銑的一種基本形式軸向車銑的實際應(yīng)用。近年來，有些科研人員對旋風(fēng)銑削又進(jìn)行了一些深入的研究，但這些研究工作主要集中于旋風(fēng)銑削在螺紋加工中的實際應(yīng)用2751。這些文獻(xiàn)所報導(dǎo)的研究成果對軸向車銑螺紋研究有著重要的參考價值，但對于車銑技術(shù)的全面研究還有很大的局限性。 目前，對于車銑技術(shù)的研究，遼寧省高速切削工程技術(shù)中心處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。該中心在國家科學(xué)技術(shù)部“九五”重大攻關(guān)課題的資助下，在車銑技術(shù)的基礎(chǔ)理論、車銑工藝、cnc車銑加工中心的設(shè)計和制造等方向進(jìn)行

25、著研究。我國對車銑技術(shù)的研究已涉足各個方面，但總體上處于起步階段。近期應(yīng)重視以下研究方向。（1） 車銑技術(shù)應(yīng)用前景的研究。（2） 特種工件車銑工藝的研究。（3） 新材料車銑加工性的研究。（4） 車銑用銑刀的研究。（5） 高速、超高速車銑及其相關(guān)技術(shù)的研究。 目前，車銑技術(shù)正在逐步轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，使用車銑工藝將會對金屬切削技術(shù)，乃至零件的設(shè)計理念產(chǎn)生極大的推動作用，使對零件的設(shè)計、加工由傳統(tǒng)方法轉(zhuǎn)向先進(jìn)制造領(lǐng)域。2.3 車銑技術(shù)的主要特點 車銑加工與其它傳統(tǒng)切削方法一樣，并不是所有零件的切削加工都適用于車銑技術(shù)，它只是在一些特定條件下能夠充分發(fā)揮它的加工特點。作為一種先進(jìn)的金屬切削方法，其主要優(yōu)點

26、為： (1)車銑是間斷切削，因此無論加工何種材料的工件都能得到較短的切屑，易于自動除屑。 (2)間斷切削使刀具有充足的冷卻時間，刀具切削溫度相對較低。 (3)與傳統(tǒng)車削相比，車銑極易實現(xiàn)高速切削，而高速切削的一切優(yōu)點可在車銑中得以體現(xiàn)。如切削力比傳統(tǒng)切削可下降30%，切削力的下降就意味著引起工件變形的徑向力有明顯下降，這有利于提高薄壁件和細(xì)長件加工的形狀精度，由于切削力小，機(jī)床和刀具承受的負(fù)荷小，也有利于機(jī)床精度的保持。 (4)由于切削速度是由工件和刀具的回轉(zhuǎn)速度共同合成，因此不需使工件高速旋轉(zhuǎn)也能實現(xiàn)高速切削，有利于對大型工件進(jìn)行高速切削。尤其重要的是對于大型鍛件毛坯，工件的超低轉(zhuǎn)速將消除因

27、工件偏心而引起的振動或徑向切削力的高頻周期變化，這些特點使得此類工件的切削過程十分平穩(wěn)，有利于減少被加工件的形狀誤差。 (5)工件轉(zhuǎn)速相對較低，加工薄壁件時幾乎沒有由于離心力產(chǎn)生的變形。 (6)當(dāng)采用高速車銑時，切削變形過程主要是絕熱剪切，故切屑和刀具帶走熱量較多，因此工件溫度相對較低，熱變形小。 (7)使用較大的縱向進(jìn)給也能得到較小的表面粗糙度。 (8)如采用cnc車銑中心，需用車、銑、鉆、鏜等不同方法進(jìn)行加工的工件能在一次裝夾中完成，不需更換機(jī)床，大大縮短了生產(chǎn)周期，防止了重復(fù)裝夾誤差。 (9)車銑是多刃切削，結(jié)合高速切削可較大地提高生產(chǎn)效率。 (10)多刃切削切削過程平穩(wěn)，刀具磨損小，這

28、對新型難加工材料和大型回轉(zhuǎn)體毛坯的加工十分有益。 由此可知，車銑技術(shù)特別適用于以下各類零件的切削加工。(1)重型或難加工材料回轉(zhuǎn)體毛坯的粗加工，如大型軋輥、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、大型鑄管模、大型船舶用曲軸以及火炮身管等等。(2)大型薄壁件回轉(zhuǎn)體的精加工。(3)大型回轉(zhuǎn)體工件的高速、超高速切削。(4)需用車、銑、鉆、鏜等不同方法進(jìn)行加工的工件。2.4 車銑技術(shù)的主要內(nèi)容車銑技術(shù)的主要內(nèi)容包括車銑的基礎(chǔ)理論研究、車銑刀具的研究、被加工件的研究、加工過程的研究以及車銑加工中心的研制五個領(lǐng)域。車銑基礎(chǔ)理論研究包括車銑運動學(xué)、車銑動力學(xué)、已加工件的理論表面粗糙度以及車銑加工的切削過程等主要內(nèi)容，這些內(nèi)容是cnc車

29、銑中心研制、車銑刀具選擇與設(shè)計以及車銑加工工藝制定的技術(shù)基礎(chǔ)，是車銑技術(shù)研究的難點之一。 車銑用銑刀與普通銑刀不同，由于車銑加工主要是用銑削方法加工回轉(zhuǎn)體，因此切削刃的前角、后角、刃傾角、主切削刃、副切削刃等主要幾何參數(shù)都不同于普通銑削。對于車銑用銑刀（特別是高效大進(jìn)給車銑粗加工用銑刀和高速高精度車銑精加工用銑刀）的研究，目前在世界范圍內(nèi)仍是車銑技術(shù)研究的前沿課題。 一臺標(biāo)準(zhǔn)的cnc車銑加工中心，至少應(yīng)包括x、y、z、b和c五個軸，其中三至五軸可聯(lián)動。在這樣一臺車銑中心上可實現(xiàn)車、銑、鉆、鏜等多個工序的一次裝夾完全加工，從而大大降低了重復(fù)裝夾誤差。 車銑加工的編程是車銑技術(shù)的又一難點。由于目前

30、的控制系統(tǒng)主要針對車、銑、鉆等傳統(tǒng)工藝而開發(fā)，如應(yīng)用到cnc車銑中心上一般需要二次開發(fā)，且車銑運動是復(fù)合運動，因此如不很好地掌握車銑基礎(chǔ)理論，很難編制出好的車銑加工程序。2.5 正交車銑運動學(xué)圖2.1 正交車銑的主要運動 與軸向車銑不同，正交車銑銑刀的回轉(zhuǎn)軸線與工件的回轉(zhuǎn)軸線相互垂直，它是加工大型回轉(zhuǎn)體和長軸類零件的一種高效方法。 如圖2.2.1所示，一個典型的正交車銑加工過程包括工件的旋轉(zhuǎn)運動、銑刀的旋轉(zhuǎn)運動和銑刀的直線進(jìn)給運動。由于正交車銑的加工對象主要為大型回轉(zhuǎn)體和長軸類零件，所以銑刀的直線進(jìn)給運動一般為軸向進(jìn)給運動，而很少采用徑向進(jìn)給運動7,8。 （1）通過對正交車銑運動過程的分析，得

31、到了進(jìn)給速度的矢量表達(dá)式，并由正交車銑運動的矢量模型，建立了描述銑刀相對工件運動的矢量表達(dá)式。（2）由進(jìn)給速度的矢量表達(dá)式可知，加工中的軸向進(jìn)給速度由銑刀軸向運動速度決定，切向進(jìn)給速度由工件旋轉(zhuǎn)線速度決定。（3）從銑削動力裝置與被加工件相對位置可斷定，正交車銑更適于復(fù)雜結(jié)構(gòu)回轉(zhuǎn)體的加工和長軸類工件的加工。（4）正交車銑理論運動方程的建立為車銑機(jī)床和cnc車銑中心的設(shè)計提供了理論依據(jù)，是車銑工藝必不可少的理論指導(dǎo)。 2.6 圓周刃、端面刃切削力 由切削力經(jīng)驗公式得圓周刃的瞬時切削力為： 如圖2.2給出了刀齒一次切削內(nèi)圓周刃的切削力。=10r/min; =2000r/min; =100mm; r

32、=20mm; z =3; =2mm; =5mm; =0mm。圖2.2 刀齒一次切削內(nèi)圓周刃切削力的變化 在銑刀切削的任一時刻，銑刀轉(zhuǎn)角可以被看作常數(shù)，則在銑刀半徑方向一小塊面積上的端面刃切削力為： 由此得端面刃的瞬時切削力為： 可以看出端面刃的瞬時切削力為端面刃的單位切削力與切削厚度的乘積在端面刃上一點到銑刀旋轉(zhuǎn)中心距離上的積分，其積分的上下限均為銑刀轉(zhuǎn)角的函數(shù)。由此可知圓周刃的瞬時切削力僅為銑刀轉(zhuǎn)角的函數(shù)，而端面刃的瞬時切削力不但是銑刀轉(zhuǎn)角的函數(shù)還是銑刀端面刃上一點到銑刀旋轉(zhuǎn)中心距離的函數(shù)。 如圖2.3給出了刀齒一次切削內(nèi)端面刃的切削力。=10r/min; =2000r/min; =100m

33、m; r =20mm; z =3; =2mm; =5mm; =0mm。圖2.3 刀齒一次切削內(nèi)端面刃切削力的變化如圖2.4給出了刀齒一次切削內(nèi)的切削力。通過圖2.2、圖2.3和圖2.4不難得到，圓周刃和端面刃切削幾乎同時開始，同時結(jié)束。圓周刃切削力對整個刀齒切削力的大小起主導(dǎo)作用，并且圓周刃在切削后半程切削力迅速降低。=10r/min; =2000r/min; =100mm; r =20mm; z =3; =3mm; =5mm; =0mm。圖2.4 刀齒一次切削內(nèi)切削力的變化 2.7 主要切削參數(shù)對圓周刃、端面刃切削力的影響=10r/min; =2000r/min; =100mm; r =20

34、mm; z =3; =12mm; =5mm。圖2.5 切削深度對圓周刃、端面刃切削力的影響=10r/min; =2000r/min; =100mm; r =20mm; z =3; =2mm; =510mm。圖2.6 軸向進(jìn)給量對圓周刃、端面刃切削力的影響 圖2.5、圖2.6給出切削深度、軸向進(jìn)給量對圓周刃、端面刃切削力最大值的影響。切削深度的增大對端面刃切削力基本沒有影響，但圓周刃切削力卻成正比增大，而軸向進(jìn)給量的增大對圓周刃切削力基本沒有影響，但端面刃切削力卻成正比增大。因此在對徑向剛度較弱的零件進(jìn)行正交車銑精加工時，采用大切深小進(jìn)給更有利于提高零件的加工精度。反之，對軸向剛度較弱的零件進(jìn)行

35、正交車銑精加工時，采用大進(jìn)給小切深更有利于提高零件的加工精度。 =10r/min; =2000r/min; =100mm; r =20100mm; z =3; =2mm; =5mm。圖2.7 銑刀半徑對圓周刃、端面刃切削力的影響 圖2.7給出銑刀半徑對圓周刃、端面刃切削力最大值的影響。隨著銑刀半徑的增加圓周刃切削力明顯減小，端面刃切削力明顯增大，因此對徑向剛度較弱的零件進(jìn)行正交車銑精加工時，使用較小的銑刀（其它參數(shù)不變，即切削線速度相應(yīng)降低）更有利于提高零件的加工精度。反之，對軸向剛度較弱的零件進(jìn)行正交車銑精加工時，使用較大的銑刀（其它參數(shù)不變，即切削線速度相應(yīng)增加）更有利于提高零件的加工精度

36、。3 薄壁回轉(zhuǎn)體靜力分析3.1 靜力分析的基本概念靜力分析計算在固定不變的載荷作用下結(jié)構(gòu)的效應(yīng)，它不考慮慣性和阻尼的影響，如結(jié)構(gòu)隨時間變化的載荷的情況?？墒?，靜力分析可以計算那些固定不變的慣性載荷對結(jié)構(gòu)的影響（如重力和離心力），以及那些可以近似為等價靜力作用的隨時間變化載荷（如通常在許多建筑規(guī)范中所定義的等價靜力風(fēng)載荷和地震載荷）。線性分析是指在分析過程中結(jié)構(gòu)的幾何參數(shù)和載荷參數(shù)只發(fā)生微小的變化，以至可以把這種變化忽略，而把分析中的所有非線性項去掉。靜力分析中的載荷：靜力分析用于計算由那些不包括慣性和阻尼效應(yīng)的載荷作用于結(jié)構(gòu)或部件上引起的位移、應(yīng)力、應(yīng)變和力。固定不變的載荷和響應(yīng)是一種假定；即

37、假定載荷和結(jié)構(gòu)的響應(yīng)隨時間的變化非常緩慢。靜力分析所施加的載荷包括以下幾種：外部施加的作用力和壓力；穩(wěn)態(tài)的慣性力（如重力和離心力）；位移載荷；溫度載荷。靜力分析可以分為線性靜力分析和非線性靜力分析，靜力分析既可以是線性的也可以是非線性的。非線性靜力分析包括所有的非線性類型：大變形、塑性、蠕變、應(yīng)力剛化、接觸（間隙）單元、超彈單元等。從結(jié)構(gòu)的幾何特點上講，無論是線性的還是非線性的靜力分析都可以分為平面問題、軸對稱問題和周期對稱問題及任意三維結(jié)構(gòu)。3.2靜力分析的基本步驟3.2.1建模。在建模過程中必須指定彈性模量（或某形式的剛度）和密度dens（或某種形式的質(zhì)量）。3.2.2 加載。在典型的模態(tài)

38、分析中唯一有效的載荷是零位移約束。如果在某個dof處指定了一個非零位移約束，程序?qū)⒁粤阄灰萍s束代替該dof處的設(shè)置?？梢允┘映灰萍s束之外的其他載荷，但他們都將被忽略。在未加約束的方向上，程序?qū)⒔馑銊傮w運動（零頻）以及高頻的自由體模態(tài)。3.2.3 觀察結(jié)果和后處理。觀察結(jié)果包括固有頻率，已擴(kuò)展的振型和相對應(yīng)力分布（如果要求輸出）。3.3 tc4薄壁件的靜力分析流程1.建模。建立一個外徑半徑為100mm厚度為1mm的薄壁圓筒。利用modeling中的cylinder創(chuàng)建兩個圓柱體，然后對這倆進(jìn)行布爾減。得到如圖所示的模型。 圖3.12.tc4薄壁件的材料屬性。通過查表知tc4鈦合金的彈性模量為1

39、13.8gpa,密度為4.43g/cm3,在ansys中為了單位統(tǒng)一ex項中輸入1.13e5,dens項中輸入4.43e-6，泊松比取為0.342。3.tc4薄壁回轉(zhuǎn)體的加載。由于在薄壁回轉(zhuǎn)體一端進(jìn)行裝夾，所以在薄壁回轉(zhuǎn)體一端施加固定位移約束，在此為了簡化約束，只在薄壁回轉(zhuǎn)體的端面施加零位移約束。正交車銑在切削過程中可以把銑刀刀刃上的切削區(qū)劃分為圓周刃切削區(qū)和端面刃切削區(qū)兩個部分，相應(yīng)地刀齒所受的切削力也可分為兩部分，即圓周刃切削力和端面刃切削力。由此得到：根據(jù)經(jīng)驗公式進(jìn)行仿真得到圓周刃切削力和端面刃切削力圖3.2由此取端面切削刃力為0.65n圖3.3由此取圓周切削刃力為55n4.觀察結(jié)果及后

40、處理。加載及約束設(shè)定完成后，即可進(jìn)入ansys的求解器進(jìn)行計算。設(shè)定分析的類型為靜態(tài)線性過程（linear static）。選取直接解法求解，不組裝整個矩陣，只是在求解器處理每一個單元時，同時進(jìn)行整個矩陣的組裝和求解，并使用當(dāng)前載荷步（current ls）開始求解。有限元計算完畢以后，使用ansys的后處理功能，利用計算出的箱體各個單元的節(jié)點位移，來確定各個單元的應(yīng)力大小，以及整個結(jié)構(gòu)的變形情況。3.4后處理 截取不同厚度條件下在同一切削力條件下的最大合位移量和應(yīng)變的結(jié)果圖形進(jìn)行分析： 圖3.4厚度為1mm時最大合位移量和應(yīng)力云圖 圖3.5厚度為0.5mm的合位移量和應(yīng)力云圖 圖3.6 厚度

41、為0.3mm的合位移和應(yīng)力云圖 圖3.7厚度為2mm的合位移和應(yīng)力云圖 圖3.8厚度為3mm的合位移和應(yīng)力云圖 圖3.9厚度為4mm的合位移和應(yīng)力云圖由合位移云圖可知，當(dāng)薄壁回轉(zhuǎn)體的厚度分別為0.3mm、0.5mm、1mm、2mm、3mm、4mm時，回轉(zhuǎn)體發(fā)生的最大位移量為0.0087mm、0.0045mm、0.0019mm、0.0014mm、0.0008mm、0.0006mm。并且發(fā)生最大變形量的區(qū)域一般位于紅色區(qū)域，而紅色區(qū)域一般在切削點處附近，考查最大變形量即考慮切削點處的最大變形量即可。由應(yīng)力云圖可知，當(dāng)薄壁回轉(zhuǎn)體的厚度分別為0.3mm、0.5mm、1mm、2mm、3mm、4mm時，回

42、轉(zhuǎn)體承受的最大應(yīng)力分別為7.51mpa、5.09mpa、2.59mpa、1.75mpa、0.58mpa、0.46mpa。由此可知在厚度逐漸減小的過程中，薄壁回轉(zhuǎn)體承受的最大應(yīng)力逐漸增大。當(dāng)考慮切削安全時，一定要考慮材料的屬性，即使調(diào)整切削力和切削深度，保證切削力不要超過材料所能承受的最大應(yīng)力值。3.5本章小結(jié) 本章首先簡單介紹了靜力分析的基本概念和靜力分析的基本步驟。在此基礎(chǔ)上分析了切削薄壁回轉(zhuǎn)體時根據(jù)切削力的經(jīng)驗公式和相應(yīng)的matlab程序得出圓周切削刃力和端面切削刃力，由此施加相應(yīng)的載荷在薄壁回轉(zhuǎn)體上進(jìn)行靜力分析。經(jīng)過后處理得到相應(yīng)的合位移云圖和應(yīng)力云圖，從合位移云圖得知薄壁回轉(zhuǎn)體各部分變

43、形情況知道靠近切削點處的變形越來越大，遠(yuǎn)離切削點的變形越來越小。根據(jù)應(yīng)力云圖得知薄壁回轉(zhuǎn)體所承受的最大應(yīng)力，然后根據(jù)材料所能承受的最大應(yīng)力可以理論上判斷切削是否合理，由此薄壁回轉(zhuǎn)體的靜力分析為切削提供了一些理論依據(jù)。 4 薄壁回轉(zhuǎn)體模態(tài)分析4.1 模態(tài)分析的基本概念模態(tài)分析是用來確定結(jié)構(gòu)的振動特性的一種技術(shù)，通過它可以得到自然頻率，振型和振型與參數(shù)（即在特定方向上某個振型在多大程度上參與了振動）。進(jìn)行模態(tài)分析有許多好處：可以使結(jié)構(gòu)設(shè)計避免共振或以特定的頻率進(jìn)行振動（例如揚聲器）；使工程師認(rèn)識到結(jié)構(gòu)對于不同類型的動力載荷是如何響應(yīng)的；有助于在其他動力估算中求解控制參數(shù)（例如時間步長）。由于結(jié)構(gòu)的

44、振動特性決定結(jié)構(gòu)對于各種動力載荷的響應(yīng)情況，所以在準(zhǔn)備進(jìn)行其他動力分析之前首先要進(jìn)行模態(tài)分析。使用ansys的模態(tài)分析可以確定一個結(jié)構(gòu)或者機(jī)器部件的振動頻率（固有頻率和振型）。模態(tài)分析也可以是另一個動力學(xué)分析的起點，例如，瞬態(tài)動力學(xué)分析，諧響應(yīng)分析或者譜分析等。用模態(tài)分析可以確定一個結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。固有頻率和振型是承受動態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要參數(shù)。如果要進(jìn)行模態(tài)疊加法諧響應(yīng)分析或瞬態(tài)力學(xué)分析，固有頻率和振型也是必要的?？梢詫τ蓄A(yù)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，例如旋轉(zhuǎn)的渦輪葉片。另一個有用的分析功能是循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)模態(tài)分析，該功能允許通過只對循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)的一部分進(jìn)行建模而分析整個結(jié)構(gòu)的振型。4.2

45、模態(tài)分析的有限元基礎(chǔ)有限元法的基本思想是將彈性體離散成有限個單元 (4.1)式中、和分別是結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣，和分別是結(jié)點位移和結(jié)點載荷向量。當(dāng) =0，且忽略阻尼影響時，得無阻尼自由振動的動力學(xué)方程： （4.2）對于簡諧振動，有： （4.3）將（4.3）代入方程（4.2） （4.4）方程（4.4）是廣義特征值問題，式中是系統(tǒng)的固有頻率。對于r階自由度系統(tǒng)，則有r個固有頻率；而是對應(yīng)的振型向量。對于方程（4.4）的模態(tài)解乘以任一常數(shù)仍是該方程的解，不同頻率的解的線性組合也是該方程的解，所以在求解中采用正則化的振型向量，它們與質(zhì)量矩陣正交，滿足： （4.5）同時，還滿足與剛度矩陣正

46、交，即 （4.6）剛度矩陣的計算方法和靜力學(xué)分析一樣，但對于質(zhì)量矩陣有兩種算法：一致質(zhì)量矩陣法和集中質(zhì)量矩陣法。一致質(zhì)量矩陣 （4.7）式中為質(zhì)量密度；是形函數(shù)矩陣。集中質(zhì)量矩陣它是將單元的分布質(zhì)量集中分配到單元的各個結(jié)點上，這樣得到質(zhì)量矩陣是對角矩陣，對于板殼單元，集中質(zhì)量矩陣還略去轉(zhuǎn)動項。在實際分析中，一致質(zhì)量矩陣和集中質(zhì)量矩陣都有應(yīng)用，一般情況下，兩者給出的結(jié)果也差不多。但由于集中質(zhì)量矩陣是對角陣，故計算簡單，節(jié)省內(nèi)存和機(jī)時，因而使用更為普遍。本計算也采用了集中質(zhì)量矩陣。在有限元分析中，系統(tǒng)的自由度很多，固有頻率和振型向量也比較繁雜，在研究時，往往只對少數(shù)較低的固有頻率和相應(yīng)的振型向量感

47、興趣，因此在有限元分析中，發(fā)展了一些適應(yīng)上述特點的效率較高的算法。lorczos法就是近年來較為流行的一種解法。這種解法直接生成一組lorczos向量，對運動方程進(jìn)行減縮，然后通過求解減縮了的運動方程的特征值問題，從而得原系統(tǒng)方程的特征解。其算法如下： 給定1生成 （i = 2，3，r）求解 （4.8）正交化 （4.9）式中 （4.10）正交化 （4.11）式中 （4.12）2將原廣義特征值問題轉(zhuǎn)換為lorczos向量內(nèi)三對角矩陣的標(biāo)準(zhǔn)特征值問題。記 從方程（3.8）至（3.12）可得：a （4.13）( i= 2, 3, r , 且 )將上式寫成矩陣形式，則有:ax=xt （4.14）其中

48、引入原特征向量和lorczos向量間的變換式中： （4.15）將式3.15）代如原特征值問題，再用xmk前乘，用 后乘方程兩端，并利用（3.14）式和正交化關(guān)系式xmx=i，得： （4.16）求解標(biāo)準(zhǔn)特征值問題（3.16）式，得： ， （4.17）計算原問題的部分特征解 ， （4.18）即： （i = 1，2，3，r）由于振動系統(tǒng)是一個自由的彈性體，因此系統(tǒng)具有剛體位移，故在求解特征值問題時需采用位移法，已知廣義特征值問題： （4.19）將上式改寫為：令 ，將上式變成： （4.20）式（5.20）與（5.19）的振型向量（ i=1, 2，3， r ）相同，但是式（3.19）的特征值與式（3.2

49、0）的特征值相差一個值，即 （ i =1，2，3，r ） （4.21）由此，即可解得前r階特征值。4.3模態(tài)分析的基本步驟4.3.1建模。在建模過程中必須指定彈性模量（或某形式的剛度）和密度dens（或某種形式的質(zhì)量）。4.3.2 加載。在典型的模態(tài)分析中唯一有效的載荷是零位移約束。如果在某個dof處指定了一個非零位移約束，程序?qū)⒁粤阄灰萍s束代替該dof處的設(shè)置?？梢允┘映灰萍s束之外的其他載荷，但他們都將被忽略。在未加約束的方向上，程序?qū)⒔馑銊傮w運動（零頻）以及高頻的自由體模態(tài)。4.3.3 擴(kuò)展模態(tài)。只有經(jīng)過模態(tài)擴(kuò)展才可以在后處理中查看振型。fre range for expansion這是

50、一種擴(kuò)展模態(tài)數(shù)的方法。如果指定了一個頻率范圍，那么只有在該頻率范圍內(nèi)的模態(tài)才會被擴(kuò)展。4.3.4 觀察結(jié)果和后處理。觀察結(jié)果包括固有頻率，已擴(kuò)展的振型和相對應(yīng)力分布（如果要求輸出）。4.4 tc4薄壁件的模態(tài)分析流程1.建模。建立一個外徑半徑為100mm厚度為1mm的薄壁圓筒。利用modeling中的cylinder創(chuàng)建兩個圓柱體，然后對這倆進(jìn)行布爾減。得到如圖所示的模型。 圖4.12.tc4薄壁件的材料屬性。通過查表知tc4鈦合金的彈性模量為113.8gpa,密度為4.43g/cm3,在ansys中為了單位統(tǒng)一ex項中輸入1.13e5,dens項中輸入4.43e-6，泊松比取為0.342。對

51、話框如圖所示 圖4.23.網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格的劃分采用網(wǎng)格劃分工具meshtool，此工具專門用于對cad模型執(zhí)行網(wǎng)格劃分操作，并包含所有點線面的網(wǎng)格劃分所具有的同等功能。該工具高度集成cad模型網(wǎng)格劃分功能，操作簡單方便，適合大多數(shù)劃分網(wǎng)格的場合。采用總體控制單元大小，自由劃分的方式。劃分后的結(jié)果如圖所示：圖4.34. 模態(tài)分析設(shè)置及加載。在analysis type中選擇modal,利用block lanczons法進(jìn)行分析而在模態(tài)分析中一般不加載結(jié)構(gòu)載荷和熱載荷，只在計算有預(yù)應(yīng)力的影響時才會考慮載荷。本文分析的薄壁件沒有預(yù)應(yīng)力的影響，只需考慮它的邊界條件。薄壁件一端面固定不動，故在其一端面施

52、加全約束。 圖4.45.模態(tài)擴(kuò)展。在fre range for expansion中輸入0到100000.對話框如圖所示6.觀察結(jié)果及后處理。在1mm厚度情況下分析不同振型的固有頻率。4.5后處理4.5.1同一厚度時不同階的最大合位移量分析 當(dāng)厚度為1時，工件屬于超薄壁結(jié)構(gòu)，工件特別容易因振動而變形，由前15階固有頻率來看，從第一階固有頻率到第15階固有頻率，合位移等值線圖振動時從大變形到小變形再到大變形，變形從第一階的3.3到10階的4.7再到15階3.99，圖4.5厚度為1mm的一階振型 圖4.6厚度為1mm的二階振型 圖4.7厚度為1mm的三階振型 圖4.8厚度為1mm的四階振型 圖4.

53、9厚度為1mm的五階振型 圖4.10厚度為1mm的六階振型 圖4.11厚度為1mm的七階振型 圖4.12厚度為1mm的八階振型 圖4.13厚度為1mm的九階振型 圖4.14厚度為1mm的十階振型 圖4.15厚度為1mm的十一階振型 圖4.16厚度為1mm的十二階振型 圖4.17厚度為1mm的十三階振型 圖4.18厚度為1mm的十四階振型 圖4.19厚度為1mm的十五階振型 根據(jù)1mm厚度的前十五階的振型如上所示，以類似的方法分別得到回轉(zhuǎn)體厚度為0.3mm,0.5mm,2mm,3mm,4mm時前十五階的振型，并分別作出厚度不同時合位移的等值線。圖4.20 圖4.21圖4.22 圖4.23圖4.2

54、4圖4.25由上面六個圖可以知道：1.6種厚度的薄壁圓筒在一階到四階的最大位移量總體呈現(xiàn)下降趨勢，其中0.5mm的薄壁圓筒在第三階振型中最大位移量出現(xiàn)了一次跳躍。2.在第5階處0.3mm,0.5mm,1mm,2mm,3mm處最大位移量上升，然后下降，在第七階處出現(xiàn)最大變形量的最小值。4mm厚度的薄壁圓筒從第五階處到第七階處最大變形量一直在緩慢上升。3.從第8階到第15階處六種厚度的最大變形量都有較大變化，波動比較頻繁。其中0.3mm的薄壁圓筒波動最大，4mm的薄壁圓筒波動最小。4.5.2 厚度與不同階固有頻率關(guān)系分析 利用block lanczons法解出不同厚度條件下前15階的固有頻率，如表

55、： 表1 不同厚度條件下前15階的固有頻率厚度階次0.3mm0.5mm1mm2mm3mm4mm149.48346.92248.24648.70955.96162.59250.95947.64349.10450.18755.41463.599373.27072.96673.61174.01674.46874.95473.68773.6027381374.10074.65875.33581.55973.84279.59780.852103.87124.26690.09377.11382.02685.613106.60125.607123.32122.95122.91123.06123.441277

56、68135.61125.27136.96139.38154.98165.059139.10131.57137.82141.53155.81168.1110143.58133.31138.83144.62179.09196.6711146.22136.46141.58146.48185.07201.4912150.88136.49142.31146.82185.18202.2213151.79137.32145.36149.64192.45206.7114192.48179.97188.51193.97195.35210.8115195.08183.14192.12195.61199.05226

57、.39由表可知隨著厚度的增加，薄壁圓筒的固有頻率不斷增加，而對于同一厚度而言，隨著階次的增加，薄壁圓筒的固有頻率也在不斷增加為方便直觀的比較，研究厚度對于薄壁圓筒的固有頻率和最大變形量的影響作出一階條件下的關(guān)系圖：圖4.26圖4.27作出十階條件下的關(guān)系圖：圖4.28圖4.29由上面四個圖表可知：當(dāng)階次相同時，隨著厚度的增加薄壁圓筒的最大變形量逐漸減小，而固有頻率呈現(xiàn)上升趨勢。但從0.3mm的薄壁圓筒到0.5mm薄壁圓筒固有頻率會有一個小幅的下降然后逐漸上升。4.6本章小結(jié)本章進(jìn)行的工作和結(jié)論有一下幾點：1、本章介紹了模態(tài)分析的基本概念和模態(tài)分析的有限元基礎(chǔ)。2、在ansys中建立了薄壁件的幾

58、何模型，并成功建立劃分了網(wǎng)格得到了工件的有限元模型，施加了約束，分別計算了厚度是0.3、0.5、1、2、3、4時的前15階固有頻率。3、分析了厚度為0.3時的固有頻率的特點。在工件切削時應(yīng)該避開這些固有頻率，在無法避免時，在第3、4、7、14階處切削工件的變形小，特別是在7、14階的固有頻率處切削變形最小。4、分析了厚度為0.5時的固有頻率的變化特性，得到了在第2、4、7、15階處變形小，特別是在第7階固有頻率處變形最小。5、分析了在厚度為1時的固有頻率變化的特性，在第3、4、7、12階處變化最小，特別時在7處變化最小。6、分析了在厚度為2時的固有頻率的變化規(guī)律，在第3、4、7、14階處變化小

59、，特別是在14階處變化最小。7、分析了在厚度為3處的固有頻率的變化規(guī)律，在第3、4、7、14階處變化小，特別是在第7、14階處變化最小。8、分析了在厚度為4時的固有頻率的變化規(guī)律，在第3、4、5、10階處變化很小，特別是第在10階處變化最小。9、分析了在不同厚度時的同一階的固有頻率的變化，得到了當(dāng)工件厚度很薄時即使在工件上切去很小一部分，此時它的固有頻率就發(fā)生很大的變化，每次切削厚度變化時很小時就要改變切削速度，在前一刀時你選的切削速度可能時很合適的，但是在下一次再在此處切削時就要換切削速度，如果不換，就可能引起共振，使工件的加工精度超差。5 諧響應(yīng)分析5.1諧響應(yīng)分析的基本概念諧響應(yīng)分析是確定一個結(jié)構(gòu)在已知頻率的正弦（簡諧）載荷作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的技術(shù)。其輸入為已知大小和頻率的諧波載荷（力，壓力和強迫位移）；或同一頻率的多種載荷，可以是相同或不相同的。其輸出為每一個自由度上的諧位移，通常和施加的載荷不同；或其他多種導(dǎo)出量，例如應(yīng)力和應(yīng)變等。諧響應(yīng)分析用于設(shè)計的多個方面，例如:旋轉(zhuǎn)設(shè)備（如壓縮機(jī)，發(fā)動機(jī)，泵，渦輪機(jī)械等）的支座，固定裝置和部件；受渦流（流體的漩渦運動）影響的結(jié)構(gòu)，例如渦輪葉片，飛機(jī)機(jī)翼，橋和塔等。任何持續(xù)的周期載荷將在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中產(chǎn)生持續(xù)的周期響應(yīng)（諧響應(yīng)）。諧響應(yīng)分析使設(shè)計人員能預(yù)測結(jié)構(gòu)的持續(xù)動力特性，從而使設(shè)計人員能夠驗證其設(shè)計能否成功的克服共振，疲勞及其他受迫振