葉輪加（jiā）工中心床身動態特性分（fèn）析與優化-加工中心網-數控機床市場網

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葉輪加工中心床身動態特性分析與優化

2018-6-7 來源：北京（jīng）信息科技大學機電工程學院作者（zhě）：王能，鍾建琳

摘要: 葉輪是（shì）航空發動機的重要組成部分，需要（yào）具有高（gāo）的加工精度和質量（liàng）。以某工廠（chǎng）生產的航空發動機葉輪專用加工中心床身為研（yán）究對象，采用有限（xiàn）元（yuán）方法分析其動態特（tè）性。根據床身的固有頻率和模態振型找出其薄弱（ruò）環節，針對床身的薄弱（ruò）環（huán）節提出相對的優化改進意見（jiàn），以（yǐ）改善床身的動態特性，並通過模態試驗驗證優化的合理性和可行性，為以後的設（shè）計提供了一定（dìng）的參考。

關（guān）鍵詞（cí）: 固有頻率; 加工中（zhōng）心（xīn）; 動態性能; 模態試驗

0 引言

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

針對航空發動機葉輪的特點，某單位（wèi）自主（zhǔ）研發了航空（kōng）發動機葉輪專（zhuān）用生產設備。

根據葉輪的加工工藝特點，要求機床具有高（gāo）加速度、高精度、高剛（gāng）度、大扭矩的五軸五聯動的特性。

提高製造設備的性能，保證葉輪的加工（gōng）質量的（de）主要手段之一就是機床的動態特性研究。

目（mù）前，國內、外對葉輪製造（zào）進行了大量（liàng）的研究，主要包括以下三個方麵: ①運用計算機輔助手段對葉輪進行多學科優化設計; ②優化葉輪生產過程中的加工工藝，選取適當的加工參數和方法; ③提高葉輪製造設備的性能，保證其加工質量。

其中，提高製造裝備研究的主要手段之一就是機床動態特性研究。

本（běn）文即從改善製造裝備入手，通過應用 ANSYS Workbench軟件對某工廠自主研發的航空發動機葉（yè）輪專用生產設備的主要結構進行（háng）分析和優化來提高機床的動態特性，改善葉輪的加工質量。

最後（hòu）通過模態（tài）試驗（yàn）驗證（zhèng）合理（lǐ）的優（yōu）化設計，不但提高了本台機床的性能，為今後機（jī）床結構（gòu）的（de）設計尤其是主要受力部位設計也提供了一定的參考。

床身（shēn）是高速、高精五軸聯動銑削加工中心的關鍵部件，其動（dòng）態性能直接影響到整個加（jiā）工（gōng）中心的加工（gōng）精度、抗振（zhèn）性和穩定性，同時，機床（chuáng）的床身承（chéng）載（zǎi）了機床的所有運動部件，也是決定機床剛度的重要環（huán）節。

因此運用計算（suàn）機輔助軟（ruǎn）件對床身結構進（jìn）行分析（xī），觀察床身結構在各階模態下的振（zhèn）型和固有頻率，找出其薄弱環節並進（jìn）行合（hé）理的優化對改善機床整體的動態性能具有很大的意義

1 、床身結構特點

葉輪是由多個薄（báo）且為自由曲麵的葉片（piàn）構成，其技術要求（qiú）為: 葉片型麵輪（lún）廓度為 0． 1，直徑範圍 200 ～500，葉片前後緣（yuán）尺寸最小為（wéi）Ｒ0． 1 ～Ｒ0． 15mm，粗糙

度Ｒa0． 8。采（cǎi）用鈦合金 TC4、高溫鎳基合金 GH4169 材料，如圖（tú） 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、擺轉台等關鍵部件組（zǔ）成，其模型如圖 2 所示。與床身直接接（jiē）觸的結構為 X 軸（zhóu）滑座和擺轉台左、右兩箱體。其中，X 軸（zhóu）滑座通過滑塊-導軌結構與床（chuáng）身接觸;擺轉台的左、右兩箱體則通過螺栓直接固定在床身上。

床身的材料是 QT500，查閱文獻可知，該材料泊鬆比為（wéi） 0． 275，彈（dàn）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（shēn）優化前模態分析

利用三維建模軟件去（qù）除對分析無影響的倒角、小孔( 包括地腳螺栓安（ān）裝孔、導軌安裝孔等) ，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（diàn）塊（kuài）著地，故在橡膠墊塊的底麵添加固定約束，圖 3 中（zhōng）的藍色區域為橡膠墊塊與地麵（miàn）接觸位置，查閱可知，橡膠墊塊材料的泊鬆比為 0． 49，彈性（xìng）模量為（wéi） 6． 1MPa，密度為 1000kg /m

3。

圖 3 床身施加約（yuē）束

提取床身的前 3 階模（mó）態，其固有頻率如表 1 所示，振型如圖 4 所示。

表 1 床身優化前模態分析結果

圖 4 床身前 3 階振型圖（tú）

從前 3 階振型圖可以（yǐ）看出，床身的 X 軸滑（huá）座低側支撐平台的剛度較弱，最大的振幅發生在第二階模態（tài），達到（dào）了（le） 2． 6644mm，由於床身的最大變形處支撐 X 軸滑座，因此床身的振動會直接傳遞到 X 軸滑座上，進一步傳遞到（dào） Y 軸滑座與主軸箱上，從而（ér）引起刀具的振動，直接影響工件的加（jiā）工精度（dù）和表麵質量。

因此，對床身進行結構優化改（gǎi）進，提高床身的剛度，改善（shàn）床（chuáng）身的動態特性，進而提高整機的加工精度和抗振性。

2． 2 床身優化後模態分析

結合床身（shēn）的仿真結果和整機裝配關係可知，床（chuáng）身變形主要集中（zhōng）在 X 軸滑座作用位置。考慮到床身質量對（duì）其動態特性的影（yǐng）響，在（zài）床身與 X 軸滑（huá）座接觸位置設計成回（huí）型筋板結構的同時，通（tōng）過填充兩側支撐板來（lái）提高床身剛度，以及平衡床身質量，優化結果如圖 5 所示。

圖 5 模型優化前後對比

對（duì）優化後的床身結構進（jìn）行模態分析，其處理（lǐ）方式與優化（huà）前保持完全（quán）一（yī）致，提取床身的前 3 階模態，其固有頻率如表 2 所示，振型（xíng）如圖 6 所（suǒ）示。

表 2 床身優化後模態分析結果（guǒ）

圖 6 床身前 3 階振型圖

由頻率和振型（xíng）圖可知（zhī），優（yōu）化後的床身模型最大變形仍出現在 X 軸滑座低側支撐平（píng）台處（chù），但各階最大變形量與優化之前相比之下均減少（shǎo）了，其優化前後的結果對比如表 3 所示。

表 3 床身優化前、後（hòu）的結果對比

由表 3 可知，床身前 3 階固有頻率均有明（míng）顯提高，近似頻率下相對變形量有所減小，對於提高機床整機的加工（gōng）精度至關重要，因此，針對床（chuáng）身的優化是合理的。

3 、試驗模態分（fèn）析

3． 1 試驗模態測試（shì）係（xì）統

工廠對優化後的床身結構進行（háng）了生產，我們對生產後（hòu）的床身進行模態試驗，本實（shí）驗采用 SIMO 錘（chuí）擊法測試方式，試驗（yàn）測量係（xì）統共由（yóu）三個部分組成: 激振係統，響應采集係統，模態分析和處理係統，圖 7 所示為（wéi）測試係統原理簡圖。

圖（tú） 7 測試係統原理簡圖

3． 2 試驗方案設計

3． 2． 1 支承（chéng）方式

為盡量（liàng）使床身的（de）各（gè）階模態（tài）更好地顯示出來，在床身底麵加上 6 個橡膠墊塊（kuài）用來支撐床身部件。

3． 2． 2 激勵點和響應測點的布置

一般來說激（jī）勵點的（de）布（bù）置原則是根據結構的特點和試驗目的（de），以不（bú）遺漏模態為前提而又盡可能簡化，此外激勵點還應避（bì）免在（zài）各階（jiē）模態（tài）的節（jiē）點位置，節點（diǎn）位置可由試驗前的有限元分析獲得。

響應測點（diǎn）位置以能反映（yìng）零件的動（dòng）態特性（xìng）、振動明顯、能得到較（jiào）好信噪比信（xìn）號為原則，試驗響應測點布置如圖 8 所示

圖 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（zào）聲研究所模態試驗測試分析設備Coinv DASP V10 中（zhōng）集總平均法（fǎ）進行模態定階識別，試驗後的床身模態（tài）頻率如表 4 所示，振型如（rú）圖 9 所示。

表 4 試驗模（mó）態（tài）分析結果

圖 9 試驗（yàn）模態振型圖（tú）

3． 4 理論與試驗對比

通（tōng）過試（shì）驗分析得到床身的前 3 階固有頻率並與（yǔ）其（qí）優化後的（de）理論（lùn）分析結果進行對比，如表 5 所示，各階振型（xíng）相同，同（tóng）階固有頻率最大誤差為 13． 4% ，說明試驗結果與理論分析結果相一致（zhì）。

表 5 理（lǐ）論與試（shì）驗分析結果對（duì）比

4 、結束語

本文以某工廠（chǎng）研製的葉輪專用加工中心為例，通過理論分析找（zhǎo）出該加工中心床身結構的薄（báo）弱環節，有針對性地提出（chū）優化改（gǎi）進意見。通過對比，優化後的床身結構固有頻率有明顯提高，近似頻率下相對變形量有所減小。

最後通過試驗驗證（zhèng）了該方案的合理性和可行（háng）性。本文所得（dé）的結論為改善整機的動態特性奠定了一定的基礎。

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