基于ANSYS Workbench立柱筋板布局對加工中心動態(tài)特性影響分析
現(xiàn)代制造加工業(yè)正向著高精度,、高質(zhì)量,、 高效率的方向迅猛發(fā)展,，因此精工機(jī)床的加工 性能面臨著許多挑戰(zhàn),，而精工機(jī)床的動態(tài)特性 是衡量其是否具備良好的加工性能的指標(biāo)之 _,。精工機(jī)床需要提高本身的動態(tài)性能,，從而 提高其加工精度和加工質(zhì)量來滿足現(xiàn)代制造業(yè) 的需求,。原加工中心是專門為加工航空發(fā)動機(jī)葉輪而設(shè)計的機(jī)床,，其動態(tài)性能的好壞直接影 響到對葉輪的加工精度,。該加工中心機(jī)械主體 結(jié)構(gòu)包括床身、立柱,、滑鞍,、主軸箱、雙驅(qū)搖 籃式擺臺等主要功能部件,。機(jī)床薄弱部件的動 態(tài)剛度將會直接影響到整機(jī)的動態(tài)特性,，因而 需要提升其動力學(xué)特性，滿足機(jī)床對加工質(zhì)量 和加工精度的要求[1],。下面以模態(tài)理論分析技術(shù)為基礎(chǔ),，采用ANSYS Workbench模態(tài)分析軟 件分析立柱筋板不同布局形式對銑削加工中的 動態(tài)特性影響。1模態(tài)分析理論模態(tài)分析主要是研究系統(tǒng)物理參數(shù)模型,、 模態(tài)參數(shù)模型以及非參數(shù)模型的關(guān)系,，并通過 _定手段確定這些系統(tǒng)模型的理論及其應(yīng)用的 _門學(xué)科[2],。隨著計算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，模 態(tài)分析得到快速的發(fā)展,，并在各個工程領(lǐng)域中 得到普及和深層次的應(yīng)用,。2加工中心模態(tài)分析目前，高校及科研院所在對精工機(jī)床設(shè)計 階段的模態(tài)分析主要是運(yùn)用有限元軟件完成,。 ANSYS Workbench是新一代的集成并行框架 式的有限元仿真軟件,，它具有較高的求解精度， 可進(jìn)行模態(tài)分析,、靜力學(xué)分析,、諧響應(yīng)分析等,。 下面運(yùn)用ANSYS Workbench軟件對加工中心 進(jìn)行模態(tài)分析,。2.1加工中心有限元建模由于加工中心的復(fù)雜性，運(yùn)用三維建模軟 件 Croe,、SolidWorks, UG 建模比在 ANSYS Workbench中建模更方便,、快捷。本文通過三 維建模軟件Croe建立加工中心整機(jī)模型,，考慮 到模型在前期處理及后期的處理上會花費(fèi)大量 時間和資源,，在不影響有限元分析結(jié)果準(zhǔn)確性 的基礎(chǔ)上簡化加工中心模型，如退刀槽,、螺紋,、 倒腳等。然后保存為x_t通用格式文件,，導(dǎo)入 ANSYS Workbench軟件中進(jìn)行預(yù)處理,，采用 Automatic進(jìn)行網(wǎng)格劃分，結(jié)合面處用彈簧阻尼 單元法[3]處理,，預(yù)處理后模型如圖1所示2.2加工中心模態(tài)分析結(jié)果在建立好加工中心有限元模型基礎(chǔ)上對加 工中心采用底座施加完全約束來模擬床身采用 地腳螺栓固定形式,，進(jìn)行模態(tài)分析。結(jié)果如表 1所示,，振型圖如圖2所示,。表1葉輪五軸加工中心模態(tài)分析結(jié)果 階數(shù) 固有頻率/Hz 振型描述 第一階 42.55 立柱沿Z軸彎曲 第二階 46.72 立柱沿X軸彎曲 第三階 51.01 立柱繞Y軸扭曲 仿真結(jié)果顯示：影響加工中心動態(tài)特性的 主要零件是立柱，如果想提高整機(jī)的動態(tài)特性,， 可以考慮抑制最低階固有頻率的振型,，即對立 柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。下面采用對立柱布置筋板的 形式提升立柱的動態(tài)性能,。3立柱筋板布局形式對立柱動態(tài)性能 影響對立柱的改進(jìn)是在原有結(jié)構(gòu)模態(tài)分析的基 礎(chǔ)上進(jìn)行的,，針對立柱較為薄弱的部分進(jìn)行改 進(jìn)，進(jìn)而提高其本身剛度,。主要改進(jìn)是在原有 立柱實(shí)體中布置筋板,，這樣既能減少其本身質(zhì)量,，又能增加其剛度，進(jìn)而提高整機(jī)的固有頻 率?，F(xiàn)在針對立柱內(nèi)部筋板布局進(jìn)行探究,，研 究不同方式的筋板布局對立柱動態(tài)性能的影 響。對立柱筋板布局分別采用井字型筋板,、米 字型筋板與X型筋板進(jìn)行比較,，如圖3所示。運(yùn)用ANSYS Workbench軟件對原始模型 立柱以及三種方式布置的筋板立柱進(jìn)行模態(tài)分 析,。結(jié)果如表2所示,，振型圖如圖4所示。表2立柱不同筋板布局模態(tài)分析結(jié)果 階數(shù) 原始 模型 X型 固有頻率 井字型 米字型 振型 描述 第一階 33.49 42.37 44.53 48.76 基本無變化 第二階 56.62 66.41 68.87 70.36 彎曲 第三階 247.86 256.64 263.78 266.31 扭曲 仿真結(jié)果顯示：不同方式布置立柱筋板對 其振型影響較小,，但是提升了立柱本身固有頻 率,，尤其是對立柱布置米字型筋板，立柱本身 的固有頻率提升******,。因此,，對立柱內(nèi)部結(jié)構(gòu) 改進(jìn)選擇米字型筋板布局。4立柱結(jié)構(gòu)改進(jìn)對葉輪加工中心動態(tài) 性能影響將改進(jìn)后的立柱模型替換到加工中心整機(jī) 模型中,，新模型如圖5所示,，并導(dǎo)入到ANSYS Workbench中進(jìn)行模態(tài)分析。結(jié)果如表3所示,。 振型圖如圖6所示,。表3立柱改進(jìn)后加工中心模態(tài)分析結(jié)果 階數(shù) 固有頻率/Hz 振型描述 第一階 52.95 立柱沿Z軸彎曲 第二階 58.81 立柱沿X軸彎曲 第三階 63.46 立柱繞Y軸扭曲 表4所示為立柱結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后對銑削加工 中心動態(tài)特性影響結(jié)果的對比。表4立柱改進(jìn)前后加工中心固有頻率對比表階數(shù)固有頻率/Hz 階數(shù) 固有頻率/Hz 改進(jìn)前 改進(jìn)后 振型描述 第一階 42.55 52.95 立柱沿Z軸彎曲 第二階 46.72 58.81 立柱沿X軸彎曲 第三階 51.01 63.46 立柱繞Y軸扭曲 由以上分析結(jié)果可知,，將立柱結(jié)構(gòu)布置米 字型筋板,，雖然整機(jī)振型沒有發(fā)生太大的改變， 但是有效地提高了該加工中心整機(jī)的低階固有頻率,，從而提高了加工中心的動態(tài)特性,。5結(jié)論運(yùn)用ANSYS Workbench軟件對原加工中 心進(jìn)行模態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)立柱是其振動薄弱環(huán)節(jié),， 影響了整機(jī)動態(tài)性能,。通過對立柱布置米字型 筋板，提高了整機(jī)低階固有頻率,。改變整機(jī)中 振動變形******的零部件,，是提高整機(jī)動態(tài)特性 —種有效方法，有助于滿足現(xiàn)代制造業(yè)對機(jī)床 加工性能的需求,。