超高速平面磨削實驗臺研究的最新動態

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高速、高效、高精是磨削的發展方向。美、日等少數發達國家已經實際應用的高速磨削的砂輪線速度達到了200～250m/s，實驗室磨削速度最高已達500m/s。為了與國際先進水平接軌，國家高效磨削工程技術研究中心經過多年對磨削機理、磨床結構的研究，研制出我國第一臺砂輪線速度達到150m/s的超高速平面磨削實驗臺。> >

該超高速平面實驗臺砂輪線速度為150m/s，采用CBN磨料砂輪和電主軸，磨頭功率最大為20kw，主軸的轉速最高可達到12000轉/分，采用在線動平衡技術平衡主軸和砂輪的不平衡量。實驗臺主體由床身、立柱、磨頭和十字拖板等部件組成。垂直方向移動由立柱實現，橫向和縱向移動由十字拖板實現。>

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2003年上半年我中心在該實驗臺上開展了超高速磨削工藝實驗和超高速磨床的動態特性實驗，同時進行零部件和整機的動力學模型建立工作。為優化實驗臺結構，下一步開發實用的超高速平面磨床產品打下基礎，做了大量的工作。

1、超高速磨削工藝實驗

磨削工藝參數的改變對工件表面質量和生產效率有較大的影響。廣西大學等一些科研院所在普通磨削工藝方面做了大量的試驗，但由于條件限制，無法進行超高速磨削實驗。為了弄清超高速磨削工藝參數對工件表面、亞表面的影響程度，我們選用從低速到高速不同的砂輪線速度、磨削進給量和材料進行組合實驗。分別對普通金屬材料、硬質合金、不銹鋼、工程陶瓷等不同的工件材料進行磨削實驗，測量磨削力、工件表面質量以及噪聲、振動等指標，尋找最佳的工藝參數和規律。

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2、超高速磨床動態特性實驗

超高速機床應具有高剛度、高抗振性，比傳統機床動態性能高5～10倍，剛度高50％左右，通常不小于100N/0.001mm的數量級。所以有必要研究超高速磨床的動態特性，確定機床結構的振動對加工精度的影響，找出機床的薄弱環節，并從機床結構的動態特性方面，提出一些抑制及改造的措施。

中心在超高速機床上進行了不同工況條件下的動態特性實驗。切削條件下的實驗與上面的工藝實驗同時進行，主軸轉速為1700轉/分、9000轉/分。實驗得到機床動態性能的各項振動指標為各階固有頻率、各階振型和阻尼，動剛度及幅頻、相頻特性。

3、有限元分析

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目前，對機床動態性能的研究主要有試驗模態分析法和有限元法。今后的發展趨勢是上述兩種方法結合起來，利用試驗模態分析結果檢驗補充和修正原始有限元動力學模型，利用修正后的有限元模型計算結構的動力特性的響應，進行結構的優化設計。

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首先分析單個零部件的結構（如床身、立柱、磨頭和工作臺）。在三維軟件Pro/E中建立CAD模型，分別導入Ansys分析軟件中，作模態分析，得出固有頻率和振型。結合實驗結果，找出薄弱零部件，并提出優化方案。

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僅分析個別零部件，無法全面反映機床整機的性能，因為各零部件之間結合部對整機的動態性能影響很大。所以，有必要作包括結合部在內的整機動力學分析。近幾年已有北京理工大學、東南大學、上海交通大學等少數研究機構用有限元法分析整機動態性能。他們采用的研究方法各不相同，特別體現在結合部的處理上，精度有高有低，難度有簡有難。我們嘗試了一種新的方法，在Pro/E中裝配各零部件的CAD模型，做為導入專門的前后處理軟件Hypermesh中劃分網格，再導入Ansys中分析。該方法全部在商品化軟件平臺上進行， 它的優點：（1）CAD模型從Pro/E導入Hypermesh時，可以保證模型完全準確地導入，不需作任何修改；（2）結合部直接采用軟件中現有單元，可以方便地調整參數。

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目前，中心在超高速磨削實驗臺研究方面，已取得較大的進展，在此基礎上，我們將進行超高速磨床的工程化研究和開發工作，為推進我國機床行業向高速高效高精化發展、縮短與國際水平的差距作出貢獻。

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謝謝介紹