王 能，鐘建琳

(北京信息科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192)

葉輪加工中心床身動(dòng)態(tài)特性分析與優(yōu)化*

王 能，鐘建琳

(北京信息科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100192)

葉輪是航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要組成部分，需要具有高的加工精度和質(zhì)量。以某工廠生產(chǎn)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪專用加工中心床身為研究對象，采用有限元方法分析其動(dòng)態(tài)特性。根據(jù)床身的固有頻率和模態(tài)振型找出其薄弱環(huán)節(jié)，針對床身的薄弱環(huán)節(jié)提出相對的優(yōu)化改進(jìn)意見，以改善床身的動(dòng)態(tài)特性，并通過模態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化的合理性和可行性，為以后的設(shè)計(jì)提供了一定的參考。

固有頻率；加工中心；動(dòng)態(tài)性能；模態(tài)試驗(yàn)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，航空制造業(yè)的先進(jìn)性成為了影響國家國際地位的重要標(biāo)志之一。針對航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪的特點(diǎn)，某單位自主研發(fā)了航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪專用生產(chǎn)設(shè)備。根據(jù)葉輪的加工工藝特點(diǎn)，要求機(jī)床具有高加速度、高精度、高剛度、大扭矩的五軸五聯(lián)動(dòng)的特性。提高制造設(shè)備的性能，保證葉輪的加工質(zhì)量的主要手段之一就是機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性研究[1-3]。

目前，國內(nèi)、外對葉輪制造進(jìn)行了大量的研究，主要包括以下三個(gè)方面：①運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助手段對葉輪進(jìn)行多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)；②優(yōu)化葉輪生產(chǎn)過程中的加工工藝，選取適當(dāng)?shù)募庸?shù)和方法；③提高葉輪制造設(shè)備的性能，保證其加工質(zhì)量。其中，提高制造裝備研究的主要手段之一就是機(jī)床動(dòng)態(tài)特性研究。本文即從改善制造裝備入手，通過應(yīng)用ANSYS Workbench軟件對某工廠自主研發(fā)的航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪專用生產(chǎn)設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和優(yōu)化來提高機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性，改善葉輪的加工質(zhì)量。最后通過模態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)，不但提高了本臺(tái)機(jī)床的性能，為今后機(jī)床結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)尤其是主要受力部位設(shè)計(jì)也提供了一定的參考。

床身是高速、高精五軸聯(lián)動(dòng)銑削加工中心的關(guān)鍵部件，其動(dòng)態(tài)性能直接影響到整個(gè)加工中心的加工精度、抗振性和穩(wěn)定性，同時(shí)，機(jī)床的床身承載了機(jī)床的所有運(yùn)動(dòng)部件，也是決定機(jī)床剛度的重要環(huán)節(jié)。因此運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助軟件對床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，觀察床身結(jié)構(gòu)在各階模態(tài)下的振型和固有頻率，找出其薄弱環(huán)節(jié)并進(jìn)行合理的優(yōu)化對改善機(jī)床整體的動(dòng)態(tài)性能具有很大的意義[4-5]。

1 床身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

葉輪是由多個(gè)薄且為自由曲面的葉片構(gòu)成，其技術(shù)要求為：葉片型面輪廓度為0.1，直徑范圍φ200～φ500，葉片前后緣尺寸最小為R0.1～R0.15mm，粗糙度Ra0.8。采用鈦合金TC4、高溫鎳基合金GH4169材料，如圖1所示。

圖1 葉輪

葉輪加工中心由床身、Y軸滑座、X軸滑座、主軸箱、擺轉(zhuǎn)臺(tái)等關(guān)鍵部件組成，其模型如圖2所示。與床身直接接觸的結(jié)構(gòu)為X軸滑座和擺轉(zhuǎn)臺(tái)左、右兩箱體。其中，X軸滑座通過滑塊-導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)與床身接觸；擺轉(zhuǎn)臺(tái)的左、右兩箱體則通過螺栓直接固定在床身上。床身的材料是QT500，查閱文獻(xiàn)[6]可知，該材料泊松比為0.275，彈性模量為169GPa，密度為7100kg/m3。

圖2 葉輪加工中心模型

2 床身有限元分析

2.1 床身優(yōu)化前模態(tài)分析

利用三維建模軟件去除對分析無影響的倒角、小孔(包括地腳螺栓安裝孔、導(dǎo)軌安裝孔等)，以減少計(jì)算量，縮短計(jì)算時(shí)間。由于實(shí)際試驗(yàn)狀況下，床身是6個(gè)橡膠墊塊著地，故在橡膠墊塊的底面添加固定約束，圖3中的藍(lán)色區(qū)域?yàn)橄鹉z墊塊與地面接觸位置，查閱文獻(xiàn)[6]可知，橡膠墊塊材料的泊松比為0.49，彈性模量為6.1MPa，密度為1000kg/m3。

圖3 床身施加約束

提取床身的前3階模態(tài)，其固有頻率如表1所示，振型如圖4所示。

表1 床身優(yōu)化前模態(tài)分析結(jié)果

圖4 床身前3階振型圖

從前3階振型圖可以看出，床身的X軸滑座低側(cè)支撐平臺(tái)的剛度較弱，最大的振幅發(fā)生在第二階模態(tài)，達(dá)到了2.6644mm，由于床身的最大變形處支撐X軸滑座，因此床身的振動(dòng)會(huì)直接傳遞到X軸滑座上，進(jìn)一步傳遞到Y(jié)軸滑座與主軸箱上，從而引起刀具的振動(dòng)，直接影響工件的加工精度和表面質(zhì)量。因此，對床身進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)，提高床身的剛度，改善床身的動(dòng)態(tài)特性，進(jìn)而提高整機(jī)的加工精度和抗振性。

2.2 床身優(yōu)化后模態(tài)分析

結(jié)合床身的仿真結(jié)果和整機(jī)裝配關(guān)系可知，床身變形主要集中在X軸滑座作用位置?？紤]到床身質(zhì)量對其動(dòng)態(tài)特性的影響，在床身與X軸滑座接觸位置設(shè)計(jì)成回型筋板結(jié)構(gòu)的同時(shí)，通過填充兩側(cè)支撐板來提高床身剛度，以及平衡床身質(zhì)量，優(yōu)化結(jié)果如圖5所示。

圖5 模型優(yōu)化前后對比

對優(yōu)化后的床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，其處理方式與優(yōu)化前保持完全一致，提取床身的前3階模態(tài)，其固有頻率如表2所示，振型如圖6所示。

表2 床身優(yōu)化后模態(tài)分析結(jié)果

圖6 床身前3階振型圖

由頻率和振型圖可知，優(yōu)化后的床身模型最大變形仍出現(xiàn)在X軸滑座低側(cè)支撐平臺(tái)處，但各階最大變形量與優(yōu)化之前相比之下均減少了，其優(yōu)化前后的結(jié)果對比如表3所示。

表3 床身優(yōu)化前、后的結(jié)果對比

由表3可知，床身前3階固有頻率均有明顯提高，近似頻率下相對變形量有所減小，對于提高機(jī)床整機(jī)的加工精度至關(guān)重要，因此，針對床身的優(yōu)化是合理的。

3 試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

3.1 試驗(yàn)?zāi)B(tài)測試系統(tǒng)

工廠對優(yōu)化后的床身結(jié)構(gòu)進(jìn)行了生產(chǎn)，我們對生產(chǎn)后的床身進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn),本實(shí)驗(yàn)采用SIMO錘擊法測試方式，試驗(yàn)測量系統(tǒng)共由三個(gè)部分組成：激振系統(tǒng)，響應(yīng)采集系統(tǒng)，模態(tài)分析和處理系統(tǒng)，圖7所示為測試系統(tǒng)原理簡圖。

圖7 測試系統(tǒng)原理簡圖

3.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

3.2.1 支承方式

為盡量使床身的各階模態(tài)更好地顯示出來，在床身底面加上6個(gè)橡膠墊塊用來支撐床身部件。

3.2.2 激勵(lì)點(diǎn)和響應(yīng)測點(diǎn)的布置

一般來說激勵(lì)點(diǎn)的布置原則是根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和試驗(yàn)?zāi)康?，以不遺漏模態(tài)為前提而又盡可能簡化，此外激勵(lì)點(diǎn)還應(yīng)避免在各階模態(tài)的節(jié)點(diǎn)位置，節(jié)點(diǎn)位置可由試驗(yàn)前的有限元分析獲得。響應(yīng)測點(diǎn)位置以能反映零件的動(dòng)態(tài)特性、振動(dòng)明顯、能得到較好信噪比信號(hào)為原則[7]，試驗(yàn)響應(yīng)測點(diǎn)布置如圖8所示。

圖8 激勵(lì)點(diǎn)和響應(yīng)測點(diǎn)的布置

3.3 模態(tài)試驗(yàn)分析結(jié)果

采用東方振動(dòng)噪聲研究所模態(tài)試驗(yàn)測試分析設(shè)備Coinv DASP V10中集總平均法進(jìn)行模態(tài)定階識(shí)別，試驗(yàn)后的床身模態(tài)頻率如表4所示，振型如圖9所示。

表4 試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析結(jié)果

圖9 試驗(yàn)?zāi)B(tài)振型圖

3.4 理論與試驗(yàn)對比

通過試驗(yàn)分析得到床身的前3階固有頻率并與其優(yōu)化后的理論分析結(jié)果進(jìn)行對比，如表5所示，各階振型相同，同階固有頻率最大誤差為13.4%，說明試驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果相一致。

表5 理論與試驗(yàn)分析結(jié)果對比

4 結(jié)束語

本文以某工廠研制的葉輪專用加工中心為例，通過理論分析找出該加工中心床身結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，有針對性地提出優(yōu)化改進(jìn)意見。通過對比，優(yōu)化后的床身結(jié)構(gòu)固有頻率有明顯提高，近似頻率下相對變形量有所減小。最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的合理性和可行性。本文所得的結(jié)論為改善整機(jī)的動(dòng)態(tài)特性奠定了一定的基礎(chǔ)。

[1] 吳玲麗.SGM50A臥式加工中心動(dòng)態(tài)特性分析及關(guān)鍵部件的優(yōu)化[D].南京:南京理工大學(xué),2014.

[2] 陳小明.飛機(jī)零件的高速高效加工[J].航空制造技術(shù)，2004(4):44-47.

[3] 徐開元, 徐武彬, 張宏獻(xiàn),等. VMC-1000型立式加工中心立柱結(jié)構(gòu)分析與動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù), 2010(4):11-17.

[4] 湯艷云.龍門加工中心結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)特性優(yōu)化[D].杭州:浙江工業(yè)大學(xué),2013.

[5] Wang Fu qiang, et al. Structural Dynamic Analysis and Optimization of Precision NC Machine Tool Bed Based on the Unit Structure[J]. Applied Mechanics and Materials, 2010, 44-47.

[6] 成大仙.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].5版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2008.

[7] 孫金虎,米潔,楊慶東.基于模態(tài)試驗(yàn)的高精度磨床動(dòng)態(tài)特性研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2013(6)：128-130.

[8] 姚曉坡.基于ANSYS Workbench立柱筋板布局對加工中心動(dòng)態(tài)特性影響分析[J].設(shè)計(jì)與研究,2015(8):1-3.

[9] 康方,范晉偉.基于ANSYSD數(shù)控機(jī)床動(dòng)態(tài)特性分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2008(7):181-182.

[10] 李明,楊慶東.五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床的高速動(dòng)態(tài)特性分析[J].北京機(jī)械工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),2007,22(4): 59-61.

(編輯 李秀敏)

Impeller Machining Center Bed Dynamics Analysis and Optimization Based on Modal Testing

WANG Neng, ZHONG Jian-lin

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Beijing Information Science and Technology University, Beijing 100192,China)

Impeller as an important part of the aero-engine should have a high precision and processing quality. The bed of machining center dedicated to aero-engine impeller is taken as the researching object, which was designed by a factory, and its dynamic characteristics are studied by finite element analysis. The weaker part of the bed is founded according to the analysis of inherent frequency and modal shape, and as to the weaker part, optimization design scheme is put forward to improve the dynamic characteristics of the bed. The rationality and feasibility of the optimization are verified through the modal testing, and the conclusion provides reference to the future optimized design.

inherent frequency;machining center;dynamic characteristics;modal testing

1001-2265(2017)01-0039-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.01.011

2016-03-26；

2016-04-11

國家重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2013ZX0400-1061)；國家自然科學(xué)基金(51575055)；“高檔數(shù)控與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項(xiàng)(2015ZX04001002)

王能(1990—)，女，河南商丘人，北京信息科技大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造及自動(dòng)化，(E-mail)18210221601@163.com。

TH122；TG659

A