基于ANSYS Workbench立柱筋板布局对加工中心动态特性影响分析

  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

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

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。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

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

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。