超高速磨床仿真分析

朱 爽，王 超

（沈陽(yáng)工程學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110136）

機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的是通過(guò)改善機(jī)床的動(dòng)態(tài)特性提高機(jī)床的加工精度。通過(guò)對(duì)機(jī)床的仿真分析，可以了解機(jī)床的特點(diǎn)，找到機(jī)床的不足，為優(yōu)化機(jī)床結(jié)構(gòu)、提高機(jī)床精度提供依據(jù)。本文以超高速磨床為例，對(duì)其進(jìn)行仿真分析，找到磨床的薄弱部分。

1 模態(tài)分析技術(shù)

模態(tài)分析是動(dòng)態(tài)特性分析的一種重要方法，是利用模態(tài)參數(shù)求解多自由度方程組的內(nèi)部耦合問(wèn)題，可以應(yīng)用于動(dòng)態(tài)特性的分析、評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)中［1］。在設(shè)計(jì)中，利用模態(tài)分析對(duì)機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性做出評(píng)價(jià)并進(jìn)行優(yōu)化，可以省略樣機(jī)加工檢測(cè)的過(guò)程，降低設(shè)計(jì)成本，提高效率。

2 超高速磨床有限元建模

直接在有限元軟件中建模的方法相對(duì)比較精確，但是有限元軟件的建模功能一般比較復(fù)雜，不適合創(chuàng)建結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模型。而采用三維軟件建模的方法比較簡(jiǎn)單，可以創(chuàng)建復(fù)雜模型，但是在導(dǎo)入有限元軟件的過(guò)程中容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，缺少零部件［2］。

本文所研究的超高速磨床結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不適合直接在有限元軟件中建模，故采用Pro/e軟件進(jìn)行1：1建模。為了盡量減少導(dǎo)入模型時(shí)產(chǎn)生的偏差，建模過(guò)程中應(yīng)盡量精準(zhǔn)，并忽略對(duì)機(jī)床加工精度影響很小的結(jié)構(gòu)特征，盡量使模型對(duì)稱。最終導(dǎo)入的模型如圖1所示。

圖1 超高速磨床有限元模型

3 超高速磨床模態(tài)分析

3.1 選擇單元類型

模態(tài)分析的基本思想是用有限個(gè)單元代替復(fù)雜的幾何機(jī)構(gòu)，通過(guò)對(duì)每個(gè)單元的求解最終得到整體機(jī)構(gòu)的模態(tài)特性［3］。在ANSYS軟件中，常用的實(shí)體單元類型有solid45、solid92、solid185和solid187。其中solid45和solid185是六面體單元，如圖2所示。這種單元體速度快，但是難以劃分網(wǎng)格，不適合復(fù)雜結(jié)構(gòu)。Solid92和solid187是帶中間節(jié)點(diǎn)的四面體單元，如圖3所示。這種單元體容易劃分網(wǎng)格，適合任何結(jié)構(gòu)，但是計(jì)算量大，速度稍慢。本文所分析的超高速磨床結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，適合采用帶中間節(jié)點(diǎn)的四面體單元類型。

圖2 六面體單元

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圖3 四面體單元

3.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分是模態(tài)分析前處理的重要步驟，網(wǎng)格劃分的數(shù)量、質(zhì)量和單元階次等決定了后期模態(tài)分析計(jì)算的質(zhì)量。在ANSYS軟件中，網(wǎng)格劃分有自由網(wǎng)格和映射網(wǎng)格兩種形式，其中自由網(wǎng)格應(yīng)用范圍廣，對(duì)幾何體沒(méi)有形狀要求，四面體單元和六面體單元都可以使用，也可以兩種單元類型混合使用；映射網(wǎng)格的適用范圍較小，對(duì)幾何體形狀規(guī)則有要求，且只能使用六面體單元，不適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的幾何體。由于本文采用的是四面體單元類型，故采用自由網(wǎng)格的形式進(jìn)行劃分。

3.3 材料屬性定義

材料屬性是指密度、彈性模量、泊松比等。超高速磨削機(jī)床的床身、立柱和主軸箱采用的是灰鑄鐵，其他零部件采用的是45#鋼，材料屬性如表1所示。

表1 超高速磨床各部件材料屬性

3.4 設(shè)置邊界條件

邊界條件是模態(tài)分析時(shí)對(duì)機(jī)床進(jìn)行的約束，邊界條件不同會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不同，故邊界條件應(yīng)根據(jù)機(jī)床的實(shí)際工作狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置［4］。超高速磨床工作時(shí)通過(guò)9個(gè)地腳螺栓水平固定在地面上，在模態(tài)分析中，用9個(gè)自由度為0的節(jié)點(diǎn)代替地腳螺栓，對(duì)磨床進(jìn)行約束，如圖4所示。

圖4 超高速磨床邊界條件

3.5 查看分析結(jié)果

提取模態(tài)分析中前20階振型圖，其中比較明顯的如圖5所示。

圖5 超高速磨床模態(tài)振型

從模態(tài)振型圖中可以發(fā)現(xiàn)，低階頻率的振動(dòng)主要發(fā)生在結(jié)合部上，例如床身與工作臺(tái)的結(jié)合部、立柱與主軸箱的結(jié)合部等，而引起高階頻率振動(dòng)的主要原因是機(jī)床本身結(jié)構(gòu)發(fā)生變形。結(jié)合部位需要裝卡被加工的零件和砂輪，振動(dòng)對(duì)磨床的加工硬度影響較大，而床身邊沿、立柱等機(jī)構(gòu)的變形對(duì)磨床加工精度影響相對(duì)較小，故優(yōu)化磨床的首要任務(wù)是減少結(jié)合部的振動(dòng)。結(jié)合部產(chǎn)生振動(dòng)的主要原因是剛度不夠及固有頻率低，因此需要通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化來(lái)提高機(jī)床的固有頻率。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著各種有限元軟件的發(fā)展和完善，利用有限元分析查找機(jī)床的弱點(diǎn)并進(jìn)行優(yōu)化已經(jīng)成為設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中不可缺少的部分。因此，正確使用有限元軟件尤其重要。通過(guò)對(duì)超高速磨床的仿真分析，發(fā)現(xiàn)磨床產(chǎn)生振動(dòng)的部位，分析并查找原因，為下一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化指明方向。