機(jī)床商務(wù)網(wǎng)技術(shù)文章
基于ANSYS Workbench立柱筋板布局對加工中心動態(tài)特性影響分析
閱讀：159 發(fā)布時間：2020-8-11 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，因此數(shù)控機(jī)床的加工 性能面臨著許多挑戰(zhàn)，而數(shù)控機(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 _。數(shù)控機(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數(shù)控機(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*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。現(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 的固有頻率提升大。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 振動變形大的零部件，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。