螺旋钻铤机床铣头箱动态特性分析.pdf

2 3 2 机 械 设 计 与 制 造 Ma c h i n e r y De s i g nMa n u f a c t u r e 第 9期 2 0 1 4年 9月 螺旋钻铤机床铣头箱动态特性分析 王可， 王建军， 孙兴伟 沈阳工业大学 机械工程学院， 辽宁 沈阳1 1 0 8 7 0 摘要 螺旋钻铤是石油钻采行业中常用的重要钻具， 其细长的圆柱外表面上有三条均匀分布的螺旋槽 ， 螺旋槽的加 工精度直接影响着螺旋钻铤的工作性能。螺旋钻铤机床是采用三盘铣刀同时铣削螺旋钻铤三个螺旋槽的专用h- Y - ． 机 床 ， 通过 多轴联动一次铣削成形钻铤 工件 ， 提 高 了螺旋钻铤螺旋槽的加工精度和加 工效 率。三盘铣 刀切 削刃对工艺 系 统的共同作用， 使得机床铣头箱部件的动态特性问题更为突出。建立了螺旋钻铤机床铣头箱的理论分析模型， 应用有 限元方法对铣头箱进行 了动态特性分析 ， 求解 了铣头箱的前 4阶模态频率， 得到 了各阶振型， 并计算了机床切削时铣 刀的工作频率。研究结果表明该铣头箱体的各阶固有频率都避开了铣刀的激振频率， 因此钻铤螺旋槽在加工过程中具 有 良好 的切 削稳定性。 关键词 螺旋钻铤； 铣削； 动态特性； 模态分析； 模态频率； 振型； 有限元 中图分类号 T H1 6 ； r H1 2 2 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 4 0 9 0 2 3 2 0 3 Dy n a mi c Ch ar a c t e r i s t i c s An a l y s i s o f Mi l l He a d Bo x o f Sp i r a l Dr i l l Co l l a r Mi l l i n g Ma c h i n e WA N G K e ， WA N G J i a n - j u n ， S U N X i n g - w e i S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， S h e n y a n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， L i a o n i n g S h e n y a n g 1 1 0 8 7 0 ， C h i n a A b s t r a c t 却i r a l d r i l l c o l l a r is t h e m a j o r d ri l l i n g t o o l i n p e t r o l e u m i n d t ry ． T h e r e are t h r e e s p i r a l g r o o v e s e v e n l y d is t r i b u t e d o n the c y l i n d e r e x t e r i o r s u o C a c e ．The m a c h i n i n g p r e c is io n o f spi r a l gro ove s m a k e s e ff e c t o n the spi r a l d r i l l c o l l ar w o r k i n g p e m 加 肌 c e ． T h e s p i r a l i l l c o l l ar ma c h i n e is t he s p e c i a l m a c h i ne w i t h t h r e e m i l l i n g c u t t e r s m a c h i n e d t h r e e spi r a l gro o v e s of d r i l l c o l l ar a t 琥e m e a n t i m e ． The spi r a l i ll c o l l ar is f o r m e dt h r o u g hmu l t i - a x i s c o m b i nedm o v e me n t ． Ma c h i n i n g p r e c is ion a n d e f fic i e n c y is i m p r ove d ．T h e p r o b le m ofd y n a mic c h aract e r is t ic s ofmi ll 7 n d is o b v iou s f o r c o m b i ned act i o n ofc u t t i n g e n d of t h r e e m i l l i n g c u t t e r t o t h e p r o c e s s s y s t e m ． I t e s t a b l is h e s the t h e o r y a n a l y s is m o d e l ofspi r a l i l l c o l l ar mi l l i n g k b o x ． The fin i t e e l e m e n t me t h o d is a p p l i e d t o t h e d ynam i c c h aract e r i s t ic s a n a l y s is oft he m i ll i n g k b o x ． The fi r s t 4 m o d alf r e q u e n c i e s and t h e v i b r a t io n mode h a v e b e e n o b t a i n e d ， a n d the w o r k i n g f r e q u e n c y ofm i l E n g c u t t e r m a c h i ne c u t t i n g is a l s o c a l c u l at e d． The r e s u l t s s h o w t h at t h e n a t u r a l f r e q u e nci e s o ft he mi l l i n g h e a d b o x h a v e avo i d e d the c utt e r v i b r atio n f r e q u e n c y ． The r e f o r e ， the m a c h mi n g s t abi l i t yi s b e t t e r i n t h e p r o c e s s ofd ri l l c o l l ar s p i r a l g r o ove s ． Ke y W o r d s S p i r a l Dr i l l Co l l a r ； M i l l i n g ； Dy n a mi c Ch a r a c t e r i s t i c s ； Mo d a l An a l y s i s ； M o d a l Fr e q u e n c y ； Vi b r a ti o n ； F i n i te El e m e n t 1 引言 数控机床的发展越来越快， 人们对其加工性能要求也越来 越高。机床的加工性能与其动态性能有着直接关系， 机床的动态 特性是评定机床工作性能及产品质量最重要的技术性能指标之 一 。因此， 在进行数控机床设计过程中， 必须对机床的动态特性 进行深入研究， 并对机床进行动态设计。 螺旋钻铤是石油钻采行业中常用的重要钻具，其细长的圆 柱外表面上有三条均匀分布的螺旋槽， 螺旋槽的加工精度直接影 响着螺旋钻铤的工作性能。 螺旋钻铤铣床是加工制造螺旋钻铤的 主要设备， 螺旋钻铤铣床的基本结构， 如图 1 所示。机床加工时， 工件做轴向运动， 铣头箱体内装有三盘互成 1 2 0 。 的铣刀， 铣刀做 径向进给运动， 同时铣削石油钻铤的三个螺旋槽。三盘铣刀同时 切削工件， 其切削力及其相互作用规律对机床的动态特性影响关 系复杂， 是机床的最主要动态作用力， 为保证机床的正常高效铣 来稿 日期 2 0 1 4 0 2 2 O 基金项 目 国家 自然科学基金项 目 5 0 4 7 5 1 7 0 作者简介 王可， 1 9 5 7 一 ， 男， 教授， 博士， 主要研究方向 螺旋曲面数控制造技术及装备、 螺旋机械设计理论及方法等方面的研究