基于模態分析的某大型結構件裝夾技術研究

鞏麗，張斌，謝龍飛

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000）

0 引言

由于外形尺寸大、質量大等結構特點，大型結構件在加工過程中的重難點主要在裝夾找正、變形控制、吊運等方面。為控制制造過程中的結構件變形，在制定大型結構件機加工藝流程設計時應宏觀考慮制造流程，最大限度減少加工過程中裝夾工位的變換次數，并確定關鍵工序的最佳裝夾方案。

1 研究對象簡介

某框架為典型大型結構件，外形尺寸約5 500 mm（長）×4 000 mm（寬）×1 300 mm（高），重約50 t，其主要加工面為該框架上端面及其中部2-φ230H7 銷孔。其中，上端面平面度要求0.08 mm，2-φ230H7 銷孔深度約650 mm，孔壁光潔度要求達到Ra1.6。該工件的加工難點主要集中在φ230H7 銷孔的鏜削加工中。由于φ230H7 銷孔長徑比大于3，屬于深孔鏜削，因此更應注意該工件加工過程中的動態特性，降低振動對深孔鏜削的影響。根據該框架的結構特點及加工要求，可以確定其關鍵工序加工設備選用數控鏜床或數控龍門銑。根據上述兩設備結構特點，該框架在不同設備上的擺放狀態不一致，具體為：在數控鏜床上其工況為工件側放，而在數控龍門銑上時其工況則為工件平放。為進一步明確該框架在不同工位裝夾下的差異性，本文采用有限元軟件分別對側放和平放2 種工況開展了模態分析。

2 模態分析

模態分析是在動力學分析過程中必不可少的一個步驟，其用于確定設計機構或機器部件的振動特性，即結構的固有頻率和振型，是承受動態載荷結構設計中的重要參數。同時，模態分析也可以作為其他動力學分析所必需的前期分析過程。ANSYS 模態分析主要由4 個步驟組成：建模、加載及求解、擴展模態、結果后處理。該框架模態分析的關鍵主要在于網格劃分，確定約束及求解。

首先，根據生產實踐經驗及該框架的結構特點，將其側放和平放狀態細分為遠支點支撐和近支點支撐，如圖1 所示。在對該框架模型完成網格劃分后，分別按圖1 所示支撐點施加約束，進行模態分析，計算求解前五階固有頻率和振型。

圖1 框架支撐點示意圖

2.1 固有頻率分析

為確保該框架加工過程中更優良的動態特性，其固有頻率應在一定變動范圍內越高越好。根據對該框架固有頻率特性的分析，從表1 和圖2 的數據可以看出，平放狀態下的前三階固有頻率遠大于側放狀態下的固有頻率，而平放狀態下，遠支點支撐時的前三階固有頻率略大于近支點支撐時的固有頻率。因此，可以得到平放遠支點裝夾狀態下的動態特性最優。

表1 框架固有頻率表 Hz

圖2 框架固有頻率變化圖

2.2 銷孔端面變形量分析

該框架的加工內容主要為上端面及中部2-φ230H7 銷孔，為此，選擇銷孔上端面為研究對象，對不同裝夾支撐狀態下的銷孔端面變形量進行分析，見表2 和圖3。從整體上看，平放遠支點狀態下的銷孔端面變形量是最小的，但第3 階振型中，其變形量最大，為0.005 mm，頻率為固有頻率的自由振動是逐漸衰減的瞬態振動，因此，前一階的振幅大于后一階振幅。經綜合評判，認為平放遠支點裝夾狀態下的銷座端面變形量較小，且整體可控性好。

圖3 端面變形量變化圖

表2 端面變形量數據表 mm

2.3 遠支點平放狀態下的振型分析

對該框架在遠支點平放狀態下進行模態分析，提取其前三階振型，分析如下：

第1 階振型：頻率值p＝71.3 Hz，其振型主要表現在工件XZ 平面沿X 軸上下擺動；工件中部兩側的變形量最大，其中銷孔處端面最大變形量0.003 5 mm，如圖4 所示。

圖4 一階振型圖

第2 階振型：頻率值p＝88.3 Hz，其振型主要表現在工件YZ 平面繞Z 軸扭動；其最大變形量工件中部兩側，其中銷孔處端面最大變形量0.003 mm，如圖5 所示。

圖5 二階振型圖

第3 階振型：頻率值p＝98.5 Hz，其振型主要表現在工件XY 平面繞X 軸扭動；工件靠近中分面端上端面變形量最大，其中銷孔處端面最大變形量0.005 mm，如圖6 所示。

圖6 三階振型圖

可以看到，在平放原支點支撐狀態下，應在中部兩側適量增加局部支撐和壓緊點，以提高裝夾剛性。

3 加工驗證

該框架平放狀態上數控龍門銑機床進行端面及銷孔加工，在四角點設主支撐，負荷分配后找平，在中部增加局部加強支點，壓牢后進行端面銑削及銷孔鏜削加工。因深孔鏜削對工件動態性能的要求更高，故選用減震鏜刀開展相應鏜孔加工參數試驗。將機床主軸轉速分別設定為200 r/min、350 r/min、500 r/min、650 r/min，進給速度按0.2 mm/s 進行鏜削，工件均平穩，加工過程中振動小，無嘯叫，動態特性良好，其中主軸轉速650 r/min 時，孔壁光潔度最佳。加工完畢后，對該銷孔按上、中、下三截面進行內孔檢測，內孔實測直徑為230.01～230.03 mm，達到設計要求。

4 結語

從本文中各項分析及生產驗證可以看到，大型結構件在不同裝夾狀態下的動態特性是有所不同的。結合工件結構特點及加工要求，通過模態分析的方法確定動態特性較好的裝夾方式，不但利于保證加工質量，也利于提高加工參數及效率。