第5期 2017年5月
组合机床与自动化加工技术
Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique
文章编号：10012265(2017)05004504
D0I:10.13462/j. cnki. mmtamt.2017.05.012
No.5 May2017
KDP晶体超精密加工机床主轴系统模态分析
关佳亮，孙晓楠，赵显辉，任勇，路文文，威泽海
（北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，北京100124）
摘要：KDP品体超精密加工机床的加工精度与主轴系统的振动存在着密切的联系。为了解决KDP 品体超精密加工机床的加工稳定性差、精度难以保证的问题，利用ANSYSWorkbench软件建立了主轴系统的三维有限元模型，在此基础上对机床主轴系统进行模态分析，得到主轴系统的前6阶模态频率和振型并分析了主轴系统的模态频率及振型之间的关系。最后对主轴系统进行模态实验，实验结果与有限元分析之间基本吻合，最大误差为4.9%，验证了有限元分析结果的可靠性，为KDP品体
超精密加工机床主轴系统的优化设计以及轻量化研究奠定了基础。关键词：KDP晶体；超精密加工机床；主轴系统：模态分析
中图分类号：TH161;TG659
文献标识码：A
Modal Analysis of Spindle System of Ultra-precision Machine Tool for KDP Crystal GUAN Jia-liang,SUN Xiao-nan, ZHAO Xian-hui,REN Yong,LU Wen-wen, QI Ze-hai
( College of Mechanical Engineering and Applied Electronics Technology, Beijing University of Technology, Beijing 100124,China)
Abstract : KDP crystal machining accuracy of ultra-precision machine tool is closely related to the vibration of the spindle system. In order to solve the problem of KDP crystal ultra-precision machine tool, which in-clude poor stability and difficult to ensure accuracy , using ANSYS Workbench software to establish three-di-mensional finite element model of spindle system model. Modal shape of the first six order was acquired by modal analysis method, and the relationship between the spindle system modal frequencies and mode shapes was researched. Finally, the spindle system experimental modal analysis is carried out, and the basic agree-ment between experimental results and finite element analysis, the maximum error is 4. 9% , which verifies the correctness of the finite element analysis results. So it lays a foundation for optimal design and light-weight research of the spindle system of KDP crystal ultra-precision machine tool.
Key words: KDP crystal; ultra-precision machine tools; spindle system; modal analysis
0引言
KDP（PotassiumDihydrogenPhosphate，简称
KH2PO4）晶体是一种性能优良的非线性光学材料。具有较高的激光损伤阅值、较宽的透光波段、易于生长大尺寸的单晶体等优点，所以KDP晶体目前是大型固体激光器和强激光武器等现代高科技领域唯一能被用作电光调制器、激光变频器、光电快速开关等元件的光学晶体材料[1-3]。KDP晶体虽具有优良光学性能，但其质软、脆性高、易潮解、易开裂等一系列不利于光学元件加工的特点，这使得传统光学元件通常采用的研磨、抛光加工方法不适用于加工KDP晶体，必须采用超精密加工技术。
目前，超精密飞刀切削是KDP晶体等大尺寸、高精度的软脆光学元件最理想的加工方法[4]。然而飞刀切削加工的大质量刀盘在高速旋转时由于小幅振动或偏转，会影响被加工零部件表面质量，而KDP晶体加
收稿日期：20160827：修回日期：20161001
工表面对中频波纹要求十分严格。因此，寻找飞刀切削加工中频波纹的来源并加以抑制对惯性约束核聚变工程的成功实施具有重要的现实意义。对主轴振动问题,国内外学者已经做了大量研究工作。Lee[3]和 Cheung6]对单点金刚石车削机床振动进行了全面而深入的分析，他们将主轴工件系统等效为一维阻尼系统，分析了切削参数、材料各向异性等对主轴振动的影响，并建立了表面形貌模拟模型；倪浆铭[7将主轴系统等效为6个弹簧阻尼的二维系统，发现了主轴不平衡质量以及偏载力矩会导致轴线倾斜的现象；安成辉等[8] 利用刚体运动的欧拉动力学方程分析主轴的运动状况，发现了主轴振动中存在一个大小约为主轴旋转频率1/6的低频振动信号，并将该频率信号认为是飞刀切削表面中频波纹的来源，
所以本文针对KDP晶体超精密加工机床的加工稳定性、精度难以保证的问题，以机床主轴系统为研究对象，运用三维建模软件SolidWorks建立了主轴系统
作者简介：关佳亮(1964一），男，北京人，北京工业大学教投，博士后，研究方向为超硬、硬脆、复合材料等难加工材料的精密超精密镜面磨削加工
技术,(E mail)guanjl@ bjut. edu. cn
万方数据