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葉輪加工中心床身動態特性分（fèn）析與優（yōu）化

2018-1-18 來源：北京信息科技大學機電工程學院作（zuò）者：王能，鍾建琳

摘要: 葉輪是航空發動機的重要組成部分，需要具有高的加（jiā）工精度和質量。以某工廠生產（chǎn）的航空發動機葉輪專用加工中心床身為研究對象，采用有限元方（fāng）法分析其動態特性。根據床身的固有頻率和模態振型找出其薄弱環節，針對床身的薄弱環節提出（chū）相對的優化改（gǎi）進（jìn）意見，以改善床身的（de）動態特性，並通過模態試（shì）驗驗證（zhèng）優化的合理（lǐ）性和可行性（xìng），為以後的設計提供了一定的參考。

關鍵詞: 固有頻（pín）率; 加（jiā）工中心; 動態性能; 模態試驗

0 、引言

隨著科學技術的發展，航空製造業的先進（jìn）性成為了影響國家國際地位的重要標誌之一。

針對航空發動機葉輪（lún）的特點，某單位自主研發了航空發（fā）動機葉輪專用生產設備。根據葉輪的加工工藝特點，要求機床（chuáng）具有（yǒu）高加速度、高精度、高剛度、大（dà）扭矩的（de）五軸五聯動的特性。

提高（gāo）製造設備的性能，保證葉輪的加工質（zhì）量的主要手段之一就是機床的（de）動態特性研究［1-3］。

目前，國內、外對（duì）葉（yè）輪製造進行了大量的研究，主要包括以下（xià）三個方麵:

①運（yùn）用計算機輔助手段對葉輪進行（háng）多學科優化（huà）設計;

②優化葉輪生產過程（chéng）中的加工工藝，選（xuǎn）取適當（dāng）的加工參數和方法;

③提高葉輪製造設備的性能（néng），保證其加工質量。

其中，提（tí）高製造（zào）裝備研究的主要手段之一就是機床動態特性研（yán）究。

本文即從改善製造裝備入手，通過應用 ANSYS Workbench 軟件（jiàn）對某工廠自主研發的航空發動機葉輪專用生產設備的主要結構（gòu）進行分析和優（yōu）化來提高機床的動態特性，改善

葉輪的加工質量。

最（zuì）後通過模態試驗驗（yàn）證合理的優化設計，不但提高了本台機床的（de）性能（néng），為今後機床結構的設計尤其是主（zhǔ）要受（shòu）力部（bù）位（wèi）設計也提（tí）供了一定的參考。床身是高（gāo）速、高精五軸（zhóu）聯動銑削加工中心的關鍵（jiàn）部件，其動態性能直接（jiē）影響（xiǎng）到整個加工中心的加工精度、抗振（zhèn）性和穩定性，同時，機床（chuáng）的床身承載了機床的所有運動（dòng）部件，也是決定機床剛度（dù）的重（chóng）要環節。

因此運用計算機輔助軟（ruǎn）件對床身結構進行分析，觀察床身結構在各階模態下（xià）的振型和固有頻率，找出其薄弱環節並進（jìn）行合理的優化對改善機（jī）床整體的動態（tài）性能具有很大的意義［4-5］。

1 、床（chuáng）身結構（gòu）特點

葉輪是由多個薄且為自由曲麵的葉（yè）片構（gòu）成，其技術要求為: 葉片型（xíng）麵輪廓度為 0． 1，直（zhí）徑範圍 200 ～500，葉片前後（hòu）緣尺寸最小（xiǎo）為Ｒ0． 1 ～Ｒ0． 15mm，粗糙

度（dù）Ｒa0． 8。采用鈦合金 TC4、高溫鎳基合金 GH4169 材（cái）料，如圖 1 所示。

圖 1 葉輪

葉輪加工中心由床身、Y 軸滑座（zuò）、X 軸滑座、主軸箱（xiāng）、擺轉台等關鍵部件組成，其模型如（rú）圖 2 所（suǒ）示。與床身直接接觸的結構為 X 軸滑座和擺轉台左、右兩箱體。其中，X 軸（zhóu）滑座（zuò）通過滑塊-導軌結構與床身接觸;擺轉（zhuǎn）台的左、右（yòu）兩箱體則通過螺栓直接固定在床身上。

床身的材料是（shì） QT500，查閱文獻［6］可知，該材料泊鬆比（bǐ）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（fèn）析

2． 1 床（chuáng）身優（yōu）化前模（mó）態分析

利（lì）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、導軌安（ān）裝孔等（děng）) ，以減少計算量，縮短計算時間。由於（yú）實際試驗狀況下，床身是 6個橡膠墊塊著地，故在橡膠墊塊（kuài）的底麵添加固定約束，圖 3 中的藍色區域為橡膠墊（diàn）塊與地（dì）麵接觸位置，查閱文獻［6］可知（zhī），橡膠墊塊材料的泊鬆比為（wéi） 0． 49，彈性模量為 6． 1MPa，密度（dù）為（wéi）

1000kg /m3。

圖 3 床（chuáng）身施加約束

提（tí）取床身的前 3 階模態，其固有頻（pín）率如表 1 所示，振（zhèn）型如圖 4 所示（shì）。

表 1 床身優（yōu）化前模態分析結果

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 軸滑座低側支撐（chēng）平台的剛度較弱，最大的（de）振幅發生在第二階（jiē）模態，達到了 2． 6644mm，由（yóu）於床身的（de）最大變形處支撐 X 軸（zhóu）滑（huá）座，因（yīn）此床身的振動會（huì）直接傳遞到 X 軸滑座上（shàng），進一步傳遞到 Y 軸滑座（zuò）與主軸箱上，從而引起刀具的振動，直接影響工件的加工精度和表麵質量。

因此，對床身進行結構優化改進，提高床身的剛度（dù），改善（shàn）床身的動態特性，進而提高整機的加（jiā）工精度和（hé）抗振性。

2． 2 床身優（yōu）化後模態分析

結合床身的仿真結果和（hé）整機（jī）裝配關係可知，床身變形主要集（jí）中在 X 軸滑（huá）座作（zuò）用位置。考慮到床身質量對動態特（tè）性的影響，在床身與 X 軸滑座接（jiē）觸（chù）位置設計成回型筋板結的同時，通（tōng）過填充兩（liǎng）側支撐板來提高（gāo）床身（shēn）剛度，以及平衡床身質量，優化結果如圖 5 所示。

圖 5 模（mó）型優化前後對比

對優化後的床身結構進行模態分（fèn）析，其處理方式與優（yōu）化前保持完全一致（zhì），提取（qǔ）床身的前 3 階（jiē）模態，其固頻率如表 2 所示，振型如圖 6 所示。

表 2 床身優化後模（mó）態分析結果（guǒ）

圖 6 床身（shēn）前 3 階振型圖

由頻率和振型圖可（kě）知，優化後的床身模型最大變形仍出現在 X 軸滑座低側支撐平台處，但各階最大變形量與（yǔ）優化之前相比之下均減少了，其優化前後的結果對比如表

3 所示。

表 3 床身優（yōu）化前、後的結果對比

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（jiǎn）小，對於提高機床（chuáng）整機的加工精度至關重要，因此，針對床身（shēn）的優化是合（hé）理（lǐ）的。

3 、試驗模態分析

3． 1 試驗模態測試係統

工廠對優化後的床（chuáng）身結構進（jìn）行了生產，我們對生產後的床身進行模態試驗，本實驗（yàn）采用 SIMO 錘擊法測試方式（shì），試驗測量係統共由三個部分組成: 激振（zhèn）係統（tǒng），響應采集係統，模態分析和（hé）處理係統，圖 7 所示為測試係統原理簡圖。

圖 7 測試係統原理簡圖

3． 2 試驗方案設計（jì）

3． 2． 1 支承方式

為盡量使床身的各階模態更好（hǎo）地顯示出來，在（zài）床身底麵加上 6 個橡膠墊塊用來支撐床身部件。

3． 2． 2 激勵點和響（xiǎng）應測點的布置

一般來說激勵點的布（bù）置原則是根（gēn）據結構的（de）特點和試（shì）驗目的，以不遺漏模態為前提而又（yòu）盡可能（néng）簡化，此外激勵點還應避免在各階模態（tài）的節點位（wèi）置，節（jiē）點位置可由試驗前的（de）有限元分析獲得。

響應測（cè）點位置以能反映零件的動態特性、振動明顯、能得到較好信噪比信號為原則［7］，試驗響應測點布置如圖（tú） 8 所（suǒ）示。

圖（tú） 8 激勵點和響應測點的布置

3． 3 模態試驗分析結果

采用東方振動（dòng）噪聲研（yán）究所模態試驗測試分（fèn）析設備Coinv DASP V10 中集總平均法進（jìn）行模態定階識別，試驗後（hòu）的床身（shēn）模態（tài）頻率如表 4 所示，振型如圖 9 所示。

表 4 試驗模態分析（xī）結果

圖 9 試驗（yàn）模態（tài）振型圖

3． 4 理論與試驗對比

通（tōng）過試驗分析得到床身的前 3 階固有頻率並與其優化後的理（lǐ）論分析結果進行對比（bǐ），如表 5 所示（shì），各階振型相同，同階固有頻率最大誤差為 13． 4% ，說明試驗結果（guǒ）與理論分析結果相一致。

表 5 理論與試驗分析結果對比

4 、結束（shù）語

本文以某工廠研製的葉輪（lún）專用加工中心為例（lì），通過理論分析找出該加工中心床身結構的薄弱環節，有針對性地提出（chū）優化改進意見。

通（tōng）過對比，優化後的床身結構固有頻（pín）率有明顯提（tí）高，近似頻率下相對變形量有所減小。最後通（tōng）過試驗驗證了該方案的合理性和可行性（xìng）。本文所得（dé）的結論為改（gǎi）善整機的動態特性奠定了一定的基礎。

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