现代制造加工业正向着高精度、高质量、 高效率的方向迅猛发展,因此数控机床的加工 性能面临着许多挑战,而数控机床的动态特性 是衡量其是否具备良好的加工性能的指标之 _。数控机床需要提高本身的动态性能,从而 提高其加工精度和加工质量来满足现代制造业 的需求。原加工中心是专门为加工航空发动机
叶轮而设计的机床,其动态性能的好坏直接影 响到对叶轮的加工精度。该加工中心机械主体 结构包括床身、立柱、滑鞍、主轴箱、双驱摇 篮式摆台等主要功能部件。机床薄弱部件的动 态刚度将会直接影响到整机的动态特性,因而 需要提升其动力学特性,满足机床对加工质量 和加工精度的要求[1]。下面以模态理论分析技
术为基础,采用ANSYS Workbench模态分析软 件分析立柱筋板不同布局形式对铣削加工中的 动态特性影响。
1模态分析理论
模态分析主要是研究系统物理参数模型、 模态参数模型以及非参数模型的关系,并通过 _定手段确定这些系统模型的理论及其应用的 _门学科[2]。随着计算机技术的高速发展,模 态分析得到快速的发展,并在各个工程领域中 得到普及和深层次的应用。
2加工中心模态分析
目前,高校及科研院所在对数控机床设计 阶段的模态分析主要是运用有限元软件完成。 ANSYS Workbench是新一代的集成并行框架 式的有限元仿真软件,它具有较高的求解精度, 可进行模态分析、静力学分析、谐响应分析等。 下面运用ANSYS Workbench软件对加工中心 进行模态分析。
2.1加工中心有限元建模
由于加工中心的复杂性,运用三维建模软 件 Croe、SolidWorks, UG 建模比在 ANSYS Workbench中建模更方便、快捷。本文通过三 维建模软件Croe建立加工中心整机模型,考虑 到模型在前期处理及后期的处理上会花费大量 时间和资源,在不影响有限元分析结果准确性 的基础上简化加工中心模型,如退刀槽、螺纹、 倒脚等。然后保存为x_t通用格式文件,导入 ANSYS Workbench软件中进行预处理,采用 Automatic进行网格划分,结合面处用弹簧阻尼 单元法[3]处理,预处理后模型如图1所示
2.2加工中心模态分析结果
在建立好加工中心有限元模型基础上对加 工中心采用底座施加完全约束来模拟床身采用 地脚螺栓固定形式,进行模态分析。结果如表 1所示,振型图如图2所示。
表1叶轮五轴加工中心模态分析结果
阶数 |
固有频率/Hz |
振型描述 |
第一阶 |
42.55 |
立柱沿Z轴弯曲 |
第二阶 |
46.72 |
立柱沿X轴弯曲 |
第三阶 |
51.01 |
立柱绕Y轴扭曲 |
仿真结果显示:影响加工中心动态特性的 主要零件是立柱,如果想提高整机的动态特性, 可以考虑抑制最低阶固有频率的振型,即对立 柱结构进行改进。下面采用对立柱布置筋板的 形式提升立柱的动态性能。
3立柱筋板布局形式对立柱动态性能 影响
对立柱的改进是在原有结构模态分析的基 础上进行的,针对立柱较为薄弱的部分进行改 进,进而提高其本身刚度。主要改进是在原有 立柱实体中布置筋板,这样既能减少其本身质量,又能增加其刚度,进而提高整机的固有频 率。现在针对立柱内部筋板布局进行探究,研 究不同方式的筋板布局对立柱动态性能的影 响。对立柱筋板布局分别采用井字型筋板、米 字型筋板与X型筋板进行比较,如图3所示。
运用ANSYS Workbench软件对原始模型 立柱以及三种方式布置的筋板立柱进行模态分 析。结果如表2所示,振型图如图4所示。
表2立柱不同筋板布局模态分析结果
阶数 |
原始 模型 |
X型 |
固有频率 井字型 |
米字型 |
振型 描述 |
第一阶 |
33.49 |
42.37 |
44.53 |
48.76 |
基本无变化 |
第二阶 |
56.62 |
66.41 |
68.87 |
70.36 |
弯曲 |
第三阶 |
247.86 |
256.64 |
263.78 |
266.31 |
扭曲 |
仿真结果显示:不同方式布置立柱筋板对 其振型影响较小,但是提升了立柱本身固有频 率,尤其是对立柱布置米字型筋板,立柱本身 的固有频率提升最大。因此,对立柱内部结构 改进选择米字型筋板布局。
4立柱结构改进对叶轮加工中心动态 性能影响
将改进后的立柱模型替换到加工中心整机 模型中,新模型如图5所示,并导入到ANSYS Workbench中进行模态分析。结果如表3所示。 振型图如图6所示。
表3立柱改进后加工中心模态分析结果
阶数 |
固有频率/Hz |
振型描述 |
第一阶 |
52.95 |
立柱沿Z轴弯曲 |
第二阶 |
58.81 |
立柱沿X轴弯曲 |
第三阶 |
63.46 |
立柱绕Y轴扭曲 |
表4所示为立柱结构改进前后对铣削加工 中心动态特性影响结果的对比。
表4立柱改进前后加工中心固有频率对比表
阶数 固有频率/Hz
阶数 |
固有频率/Hz |
|
|
改进前 |
改进后 |
振型描述 |
|
第一阶 |
42.55 |
52.95 |
立柱沿Z轴弯曲 |
第二阶 |
46.72 |
58.81 |
立柱沿X轴弯曲 |
第三阶 |
51.01 |
63.46 |
立柱绕Y轴扭曲 |
由以上分析结果可知,将立柱结构布置米 字型筋板,虽然整机振型没有发生太大的改变, 但是有效地提高了该加工中心整机的低阶固有频率,从而提高了加工中心的动态特性。
5结论
运用ANSYS Workbench软件对原加工中 心进行模态分析,发现立柱是其振动薄弱环节, 影响了整机动态性能。通过对立柱布置米字型 筋板,提高了整机低阶固有频率。改变整机中 振动变形最大的零部件,是提高整机动态特性 —种有效方法,有助于满足现代制造业对机床 加工性能的需求。
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