2017年5月23日

加工中心地腳低速滑動界面法向剛度分形模型及試驗

海天精工加工中心鉆攻中心前言：界面的通常意義是指由2種材料形成的邊界層，一般的界面力學考慮的界面是固體和固體形成的邊界層[1]，界面主要描述2個固體接觸之后的力學行為。表面是指2個固體接觸時的公共輪廓，主要描述2個固體接觸之前的力學參數，如表面的彈性模量與泊松比等。早在1915年，著名化學家WOLFGANG就提出界面科學研究的必要性，他認為界面是“被忽略尺度的世界”。也就是說界面研究所涉及的空間尺度超過了當今科學研究的尺度范圍,即微觀尺度的原子、分子或者宏觀尺度的體相物質。界面科學是機械學領域中具有較大學科深度與難度的課題，也是現代機械工程學科的研究前沿和重大科學問題之一，具有科學研究的意義和工程實用價值。由于長期以來人們忽視了該領域的研究，使得界面科學的發展迄今還不十分完善。實踐中人們認識到，機械零部件的表面品質和界面行為是影響機械零件性能，諸如接觸疲勞強度、摩擦功耗、磨損壽命和抗腐蝕能力等至關重要的因素。又如，機械裝備的動態性能以及振動和噪聲也在很大程度上取決于各個接觸界面的剛度和界面阻尼特性[2]。從是否滑動來看，界面可分為二類，即固定界面和滑動界面。滑動界面是指相互連接的2個零部件之間在工作狀態時存在宏觀相對滑動的界面。本文討論2個零部件之間的接觸，故滑動接觸界面簡稱滑動界面。長期以來國內外科技工作者對此進行了許多研究工作。(1) 固定界面的國內外研究現狀分析。張學良等基于粗糙表面接觸分形理論，首次提出了界面法向接觸剛度分形模型[3]和切向接觸剛度分形模型[4]，通過數字仿真研究發現分形維數的增大及特征長度的減小都會引起法向接觸剛度、切向接觸剛度的增大。在把分形理論如何適當運用于機械裝備方面張學良是領導者。田紅亮等>7]將赫茲接觸與分形理論有機地聯系起來，提出了改進的法向接觸剛度分形模型，此外還結合分形接觸與有限元思想，提出虛擬材料法建立了加工中心固定界面的模型。MAO等[8]考慮界面自由度耦合，聯合動力學參數與實測頻率響應函數，辨識了栓接界面動態特征參數。Hertz接觸模型是在以下3個假設條件下得到的：①兩接觸表面非同曲；②接近接觸區時，每個固體都視為半空間彈性體；③表面無摩擦。材料在加工和使用過程中，總要受到外力作用。材料受外力作用時所表現的性能稱為力學性能，如強度、塑性、硬度、韌性及疲勞強度等。材料在外力作用下將發生形狀和尺寸變化，稱為變形。外力去除后能夠恢復的變形稱為彈性變形，不能夠恢復的變形稱為塑性變形。微凸體變形包括彈性變形與塑性變形，因此根據Hertz接觸模型的第2個假設，Hertz接觸模型沒有考慮塑性變形，但Hertz接觸模型的基本彈性方程依然適用于實際工程。根據Hertz接觸模型的第3個假設，Hertz接觸模型沒有考慮摩擦。上述文獻存在一個共性瑕疵：皆以赫茲彈性理論為基礎，由于大多數的物體的表面是加工制造而成，由于加工方法的不同，物體表面或多或少都會產生表面公差、波紋度和粗糙度，因此2個物體接觸后所形成的界面不可能是絕對光滑的，赫茲彈性理論局限于無摩擦界面。摩擦接觸問題的研究一直是科研人員與工程師們感興趣的研究領域，且人們主要使用了數值計算方法中的有限元法和邊界元法進行研究。然而由于有摩擦界面問題的復雜性，使得此問題至今仍未得到很好的解決。(2) 滑動界面的國內外研究現狀分析。CHLEBUS等[9]用界面特性參數數據庫及一組變橫截面桿單元模擬界面的法向和切向特征，利用商業有限元軟件實現自動建模，并對加工中心導軌界面進行有限元建模與特性分析計算，計算結果與試驗誤差在15%以內。MI等[1°]在對加工中心導軌部件進行模態試驗的基礎上，提出了一種將模態試驗數據與有限元分析模型相集成的導軌結合部動力學參數的優化識別方法。WU等[11~]對滾動導軌的建模采用有限元法，將導軌同滑塊之間的連接等效為若干彈簧-阻尼單元。OHTA等[13_15]在考慮導軌同滑塊連接的具體結構形式，每一個滾珠都用一個線性彈簧單元來模擬，其在建模方式上與宏觀建模方式相比有了一定程度的進步，其建模方式相當于將滾珠同滑塊之間的連接視為點-點接觸，而實際滾珠同凹槽之間是一種面-面接觸。毛寬民等[16]根據試驗測得滾動直線導軌副滑動界面的柔度系數，推導出界面單元剛度矩陣。另外毛寬民等[17]考慮滾珠直線導軌的波紋度，當角位移民，?和艮值很小時，假設cos& «見，cos0v « 6^ , cos0__ « (正確表達式應為 cos0x «1，COS' ，COS& »1)推導滾珠與滑塊接觸點處曲率中心位置向量的變換矩陣，進而獲得其位移與頻譜。只有以面-面接觸的建模方法來描述滾珠同溝槽的接觸行為，才能更加精準地創建直線滾動導軌的力學模型。但是由于計算的復雜性，目前完全考慮滾珠面-面接觸形式來模擬導軌的動、靜力學特性的研究并不多見。目前滑動界面基礎試驗數據有限，沒文本框: (2)文本框: (3)文本框: 7C有形成一個團體性的數據庫，只存在于部分研究機構，并且其適用范圍還有待于進一步驗證，工程上還沒一個標準滑動試驗樣件，用于第三方來檢驗基礎數據的有效性。同時如何將滑動界面的非線性動力學預測模型耦合到結構件的有限元模型中，預測、評價和驗證工程實際中整體結構的動力學特性，是目前面臨的重要難題。海天精工備注：為保證文章的完整度，本文核心內容都PDF格式顯示，如未有顯示請刷新或轉換瀏覽器嘗試，手機瀏覽可能無法正常使用！結束語： (1) 微凸體臨界平均壓強隨著動摩擦因數的增加而變小。分形區域擴展因數隨著分形維數的增加而減小。微凸體最大結合面積隨著分形維數的增加而線性減小。(2) 法向接觸剛度隨著動摩擦因數、面積比、特征長度的增加而哀減。法向接觸剛度隨著分形維數、接觸面積的比率、法向接觸載荷、微凸體最大結合面積的增加而增加。(3) 從有限元模擬的對比能夠看出，計及界面參數的模型得到的動柔度、法向接觸剛度數據與試驗數據十分靠近，分別間接與直接地證明本文低速滑動界面法向參數辨識的精度。(4) 區別無阻尼自然頻率與無阻尼自然角頻率。在第4節中以無阻尼自然角頻率(〇為自變量，推導界面的功率譜密度函數，所得一系列中間結果、最終結果與現有文獻不同。在有阻尼狀態下進行試驗，在接觸問題中，通常認為阻尼最重要。已知阻尼比c，可獲得有阻尼自然角頻率®d=75"^®。本文求解的是以《為自變量的功率譜密度函數，給出了識別界面分形維數、特征長度的理論與試驗辦法。以《為自變量的結構函數的修正計算是后續重點研發的內容。海天精工是一家集銷售、應用及服務于一體的公司。產品包括：CNC加工中心、鉆攻中心、龍門加工中心、雕銑機、石墨機、五軸加工中心、立式加工中心、臥式加工中心等。我們機床的生產工廠設在廣東省寧波市，目前其生產的加工中心70%出口，其中出口到歐洲占到50%。我們盡心、盡力、盡意的服務！聲明：本站文章均來自網絡，所有內容不代表本站觀點，本站不承擔任何法律責任！

海天精工機床有限公司 ^{海天精工博客}

加工中心地腳低速滑動界面法向剛度分形模型及試驗

◎歡迎參與討論，請在這里發表您的看法、交流您的觀點。