加工中心關鍵部件的動態特性分析

吳玉厚 趙德宏 饒良武

(沈陽建筑大學，遼寧 沈陽 110168)

在加工精度及加工效率都比較高的加工中心，在其研發過程中必須考慮到機床的振動問題［1］。異性石材加工中心HTM50200是本校研制的車銑復合式機床，其可分度車削頭為該加工中心的關鍵部件，結構復雜，各部位剛度差異較大，其薄弱環節與關鍵位置處動態特性直接影響到整機的加工質量。所以，分析車削頭的動態特性對保證加工中心的加工精度與使用壽命顯得尤為必要。目前，模態分析是研究機床動態特性性能的主要方法，其主要內容是獲取結構的振動特性即固有頻率、阻尼比和主振型［2］，也是承受動載荷的重要參數。模態分析方法主要有2種［3－4］:一種是基于有限元法的理論建模與分析，另一種是以模態測試為基礎的實驗模態分析。本文利用Solidworks建立實體模型，借助有限元分析軟件ANSYS對車削頭進行模態分析，并采用東方所 INV3018C高精度采集儀和DASP－V10測試分析軟件運行平臺，對關鍵部件的固有特性及振動情況進行現場測試與分析，獲取了車削頭前幾階固有頻率與模態振型，找出了該結構件上存在的薄弱環節，從而為分析和評價機床結構的動態性能，指導結構優化設計提供了可靠依據。

1 車削頭的模態分析

1.1 車削頭的有限元分析

被分析的車削頭采用Solidworks三維建模軟件完成，將其導入ANSYS的Workbench中實現無縫連接，如圖1。邊界條件:區域A和B通過8個高強度螺栓固定在滑鞍上的滑板上，可視為剛性連接，故在螺栓孔處施加全方位約束，包括X、Y、Z及3個旋轉方向。

該車削頭材料為HT200，選用AWB默認網格劃分設定進行自動網格劃分［5－6］，有限元模型如圖2。

1.2 車削頭的試驗模態分析

實驗模態分析主要是測試系統的頻響函數，通過對頻響函數的分析來獲得機床部件各種振動特性參數，如固有頻率、阻尼比和模態振型。本模態測試采用單點激勵多點響應的方法獲取傳遞函數。

(1)試驗設備 東方所INV3018C高精度采集儀，5個9822型單向加速度傳感器(0.5～5 kHz)，激振力錘，電荷放大器和DASP－V10測試分析軟件。

(2)試驗過程 將車削頭停放在橫梁中間位置，并將其移動到滑鞍的最低位置處。根據車削頭的結構特點，主軸箱體與上箱體之間的結合面是主要承載主軸部件及切削力的支撐部位，所以在此連接處設置了測試響應點，并在振源附近和其他連接點處布置了測點。各測點具體位置如圖3所示。由于用來鋸切石材的鋸片安裝在錐形主軸的大端處，故以此處附近點作為激振點，以便更好地模擬實際加工狀態。試驗過程分為22批次進行，每次測量5點，最終完成車削頭模態試驗的測試。

2 車削頭的模態分析結果

結構的振動可以表達為各階固有振型的線性組合，其中低階固有振型較高階對結構的振動影響較大，越是低階對結構的影響越大，因此低階振型對結構的動態特性起決定作用［7］，故進行車削頭的振動特性分析計算時取前4階。

將ANSYS模態分析與試驗模態分析得到的車削頭前4階固有頻率與振型分析進行對比，如表1所示。圖4、圖5分別為試驗模態測試和ANSYS模態分析所獲得的部分振型圖。

表1 車削頭固有頻率與振型分析

如表1所示，計算頻率與試驗模態分析的結果存在著一定的差距，主要原因有:由于對車削頭理論建模時，簡化了一些對計算頻率影響較小的因素，比如結構上的螺紋孔、凸臺、倒角等的簡化;車削頭與滑鞍的剛性連接的假設;非線性因素的忽略等，從而造成了低階試驗頻率稍小于ANSYS模態分析計算頻率而高階略大的結果，但誤差率均小于10%，滿足工程要求。

由振型圖可以得出，ANSYS模態分析得到的前五階模態振型與試驗模態分析的振型基本一致，都具有以下特征:第一、二階振型是車削頭分別沿Y和Z方向的擺動，其中主軸箱底部變形均最大;第三模態振型則是繞X方向扭轉，車削頭后連接板處產生變形較大;第四階振型主要是整體朝Y向彎曲，最大變形位置在主軸前端處。

3 動剛度測試

動剛度是衡量機床抗振性能的重要指標，其數值等于產生單位振幅所需的動態力。其測試方法與模態測試所用到的軟硬件相類似，同樣采用隨機信號對安裝鋸片的主軸端面處進行激振，并用加速度傳感器獲取響應信號，記錄激振力及響應的數據后，將分析得出來的傳遞函數進行兩次積分再求倒數便是動剛度曲線［8］。圖6為車削頭主軸X方向的動剛度曲線。

4 結語

(1)對比ANSYS理論模態與試驗模態分析的結果可以得出，車削頭主軸前端及主軸箱后連接板處的振動比較激烈，是整個結構的薄弱環節，實際加工時也是很容易發生顫振的地方。

(2)兩種不同的模態分析方法，得出的結果有所差異，但還是在誤差允許的范圍之內，滿足工程要求。從經濟性和可靠度方面來說，在分析關鍵部件的動態特性時，ANSYS模態分析方法不失為一種好方法。

(3)明確了加工中心關鍵部件的動態特性分析需考慮的內容，包括固有頻率、阻尼比、模態振型、動剛度等振動性能指標，為分析和評價機床結構的動態性能，指導結構優化設計提供了可靠依據。

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