مدل ارتعاشات سه جزيي ماشين فرز با اتصالات پيوسته

Three Component Model with New Continuous Dynamic Coupling Method for Tool-Holder-Spindle Structure

هدف از تحليل ديناميكي در ماشين فرز، بالا بردن سرعت ماشينكاري و در عين حال كاستن ارتعاشات خودزا در انتهاي ابزار است. چنين ارتعاشاتي از صافي سطح قطعات فرزكاري شده مي كاهد. كاملاً واضح است كه پارامترهاي تماسي مانند سفتي و ميرايي بين اجزا نقش مهمي در خواص ديناميكي مجموعه اسپيندل- هولدر- ابزار در ماشين فرز دارد كه در اين مقاله با در نظر گرفتن خواص تماسي بين اجزا به مطالعه ديناميك مجموعه پرداخته شده است. در بين اين سازه ها اسپيندل، هولدر و ابزار داراي هندسه هايي مي باشند كه امكان انجام تحليل آنها با نرم افزار هاي المان محدود وجود دارد ولي سازه بدنه ماشين فرز به قدري پيچيده است كه تحليل آن غيرممكن است. در اين مقاله روش جديدي براي انجام چنين تحليل هاي سازه اي ارايه مي شود. خواص ديناميكي مجموعه ماشين فرز و اسپيندل در انتهاي اسپيندل اندازه گيري شده و با استفاده از روش جديد كوپل پيوسته ديناميكي، مدل تحليلي ابزار و هولدر به مجموعه اسپيندل و ماشين فرز متصل مي شود. نتايج اين روش جديد با آخرين روش ارايه شده در مراجع به نام كوپلينگ چند نقطه اي مقايسه شده است. در روش جديد امكان كوپل ديناميكي دو قطعه در دو فضاي تحليل متفاوت از جمله فضاي مودال و فضاي پاسخ فراهم شده است. به اين ترتيب جهت كوپل ديناميكي دو جز نياز به تبديل فضاي مدل دو جز نمي باشد و از خطاهاي عددي حاصل از تبديل فضا جلوگيري خواهد شد. عمده برتري اين روش نسبت به RCSA امكان كوپل پيوسته دو جز مي باشد. در اين مقاله تماس بين اسپيندل- هولدر و هولدر- ابزار با استفاده از فنرها و ميراگرهاي جابه-جايي و پيچشي كه به صورت پيوسته در طول تماس پخش شده اند، مدل شده است. تحليل ديناميكي هولدر با معادلات تير تيموشنكو با استفاده از سري هاي چبيشف انجام شده و تحليل ديناميكي ابزار نيز با استفاده از روش جديد قطر معادل و استفاده از معادلات تير اويلر برنولي انجام گرفته است. پارامترهاي تماسي بين اجزا با استفاده از روش جديد ارايه شده در نرم افزار ANSYS به دست آمده و به صورت تجربي مورد تاييد قرار گرفته است.

In machine dynamics, the tool point frequency response functions (FRFs) are employed to predict the stable machining conditions. A combined analytical-experimental substructuring procedure is proposed to determine the tool point FRFs usable for different holder-tool configurations. Contact interface of holder-spindle and tool-holder is modeled using translational and rotational springs and dampers spread in the length of contact surface. These joint parameters are defined using finite element method. This enables the analyst to introduce the contact stiffness and damping in more detail taking into account variations of normal pressure in the tool-holder and holder-spindle joints. The dynamic analysis of the holder is done using Timoshenko beam theory by chebyshev method. The tool dynamics is modeled by Euler-Bernoulli beam theory using the method of equivalent diameter. For the purpose of shifting the tool stability lobes to a higher level, tool damping parameter is modified by internal frictional damper and the effect is analyzed by analytical methods and experimental study. New method for continuous dynamic coupling is presented. The method employs the measured spindle-machine FRFs and analytical models of the tool and holder to predict the tool tip FRFs. An experimental case study is provided to demonstrate the applicability of the proposed method.