基于ANSYS Workbench立柱筋板布局對加工中心動態特性影響分析
現代制造加工業正向著高精度、高質量、 高效率的方向迅猛發展，因此精工機床的加工 性能面臨著許多挑戰，而精工機床的動態特性 是衡量其是否具備良好的加工性能的指標之 _。精工機床需要提高本身的動態性能，從而 提高其加工精度和加工質量來滿足現代制造業 的需求。原加工中心是專門為加工航空發動機葉輪而設計的機床，其動態性能的好壞直接影 響到對葉輪的加工精度。該加工中心機械主體 結構包括床身、立柱、滑鞍、主軸箱、雙驅搖 籃式擺臺等主要功能部件。機床薄弱部件的動 態剛度將會直接影響到整機的動態特性，因而 需要提升其動力學特性，滿足機床對加工質量 和加工精度的要求[1]。下面以模態理論分析技術為基礎，采用ANSYS Workbench模態分析軟 件分析立柱筋板不同布局形式對銑削加工中的 動態特性影響。1模態分析理論模態分析主要是研究系統物理參數模型、 模態參數模型以及非參數模型的關系，并通過 _定手段確定這些系統模型的理論及其應用的 _門學科[2]。隨著計算機技術的高速發展，模 態分析得到快速的發展，并在各個工程領域中 得到普及和深層次的應用。2加工中心模態分析目前，高校及科研院所在對精工機床設計 階段的模態分析主要是運用有限元軟件完成。 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， 可進行模態分析、靜力學分析、諧響應分析等。 下面運用ANSYS Workbench軟件對加工中心 進行模態分析。2.1加工中心有限元建模由于加工中心的復雜性，運用三維建模軟 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建立加工中心整機模型，考慮 到模型在前期處理及后期的處理上會花費大量 時間和資源，在不影響有限元分析結果準確性 的基礎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，導入 ANSYS Workbench軟件中進行預處理，采用 Automatic進行網格劃分，結合面處用彈簧阻尼 單元法[3]處理，預處理后模型如圖1所示2.2加工中心模態分析結果在建立好加工中心有限元模型基礎上對加 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，進行模態分析。結果如表 1所示，振型圖如圖2所示。表1葉輪五軸加工中心模態分析結果 階數 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 仿真結果顯示：影響加工中心動態特性的 主要零件是立柱，如果想提高整機的動態特性， 可以考慮抑制最低階固有頻率的振型，即對立 柱結構進行改進。下面采用對立柱布置筋板的 形式提升立柱的動態性能。3立柱筋板布局形式對立柱動態性能 影響對立柱的改進是在原有結構模態分析的基 礎上進行的，針對立柱較為薄弱的部分進行改 進，進而提高其本身剛度。主要改進是在原有 立柱實體中布置筋板，這樣既能減少其本身質量，又能增加其剛度，進而提高整機的固有頻 率。現在針對立柱內部筋板布局進行探究，研 究不同方式的筋板布局對立柱動態性能的影 響。對立柱筋板布局分別采用井字型筋板、米 字型筋板與X型筋板進行比較，如圖3所示。運用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行模態分 析。結果如表2所示，振型圖如圖4所示。表2立柱不同筋板布局模態分析結果 階數 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 的固有頻率提升最大。因此，對立柱內部結構 改進選擇米字型筋板布局。4立柱結構改進對葉輪加工中心動態 性能影響將改進后的立柱模型替換到加工中心整機 模型中，新模型如圖5所示，并導入到ANSYS Workbench中進行模態分析。結果如表3所示。 振型圖如圖6所示。表3立柱改進后加工中心模態分析結果 階數 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所示為立柱結構改進前后對銑削加工 中心動態特性影響結果的對比。表4立柱改進前后加工中心固有頻率對比表階數固有頻率/Hz 階數 固有頻率/Hz 改進前 改進后 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 由以上分析結果可知，將立柱結構布置米 字型筋板，雖然整機振型沒有發生太大的改變， 但是有效地提高了該加工中心整機的低階固有頻率，從而提高了加工中心的動態特性。5結論運用ANSYS Workbench軟件對原加工中 心進行模態分析，發現立柱是其振動薄弱環節， 影響了整機動態性能。通過對立柱布置米字型 筋板，提高了整機低階固有頻率。改變整機中 振動變形最大的零部件，是提高整機動態特性 —種有效方法，有助于滿足現代制造業對機床 加工性能的需求。