葉輪加工中心床身動態(tài)特性分析與優(yōu)化
2018-1-18 來源： 北京信息科技大學(xué) 機電工程學(xué)院 作者：王 能，鐘建琳
摘要: 葉輪是航空發(fā)動機的重要組成部分，需要具有高的加工精度和質(zhì)量。以某工廠生產(chǎn)的航空發(fā)動機葉輪專用加工中心床身為研究對象，采用有限元方法分析其動態(tài)特性。根據(jù)床身的固有頻率和模態(tài)振型找出其薄弱環(huán)節(jié)，針對床身的薄弱環(huán)節(jié)提出相對的優(yōu)化改進意見，以改善床身的動態(tài)特性，并通過模態(tài)試驗驗證優(yōu)化的合理性和可行性，為以后的設(shè)計提供了一定的參考。
關(guān)鍵詞: 固有頻率; 加工中心; 動態(tài)性能; 模態(tài)試驗
0 、引言
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，航空制造業(yè)的先進性成為了影響國家國際地位的重要標(biāo)志之一。
針對航空發(fā)動機葉輪的特點，某單位自主研發(fā)了航空發(fā)動機葉輪專用生產(chǎn)設(shè)備。根據(jù)葉輪的加工工藝特點，要求機床具有高加速度、高精度、高剛度、大扭矩的五軸五聯(lián)動的特性。
提高制造設(shè)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動態(tài)特性研究［1-3］。
目前，國內(nèi)、外對葉輪制造進行了大量的研究，主要包括以下三個方面:
①運用計算機輔助手段對葉輪進行多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計;
②優(yōu)化葉輪生產(chǎn)過程中的加工工藝，選取適當(dāng)?shù)募庸?shù)和方法;
③提高葉輪制造設(shè)備的性能，保證其加工質(zhì)量。
其中，提高制造裝備研究的主要手段之一就是機床動態(tài)特性研究。
本文即從改善制造裝備入手，通過應(yīng)用 ANSYS Workbench 軟件對某工廠自主研發(fā)的航空發(fā)動機葉輪專用生產(chǎn)設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)進行分析和優(yōu)化來提高機床的動態(tài)特性，改善
葉輪的加工質(zhì)量。
最后通過模態(tài)試驗驗證合理的優(yōu)化設(shè)計，不但提高了本臺機床的性能，為今后機床結(jié)構(gòu)的設(shè)計尤其是主要受力部位設(shè)計也提供了一定的參考。床身是高速、高精五軸聯(lián)動銑削加工中心的關(guān)鍵部件，其動態(tài)性能直接影響到整個加工中心的加工精度、抗振性和穩(wěn)定性，同時，機床的床身承載了機床的所有運動部件，也是決定機床剛度的重要環(huán)節(jié)。
因此運用計算機輔助軟件對床身結(jié)構(gòu)進行分析，觀察床身結(jié)構(gòu)在各階模態(tài)下的振型和固有頻率，找出其薄弱環(huán)節(jié)并進行合理的優(yōu)化對改善機床整體的動態(tài)性能具有很大的意義［4-5］。
1 、床身結(jié)構(gòu)特點
葉輪是由多個薄且為自由曲面的葉片構(gòu)成，其技術(shù)要求為: 葉片型面輪廓度為 0． 1，直徑范圍 200 ～500，葉片前后緣尺寸最小為 Ｒ0． 1 ～ Ｒ0． 15mm，粗糙
度 Ｒa0． 8。采用鈦合金 TC4、高溫鎳基合金 GH4169 材料，如圖 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(zhuǎn)臺等關(guān)鍵部件組成，其模型如圖 2 所示。與床身直接接觸的結(jié)構(gòu)為 X 軸滑座和擺轉(zhuǎn)臺左、右兩箱體。其中，X 軸滑座通過滑塊-導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)與床身接觸;擺轉(zhuǎn)臺的左、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［6］可知，該材料泊松比為 0． 275，彈性模量為 169GPa，密度為 7100kg /m3。
圖 2 葉輪加工中心模型
2 、床身有限元分析
2． 1 床身優(yōu)化前模態(tài)分析
利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(dǎo)軌安裝孔等) ，以減少計算量，縮短計算時間。由于實際試驗狀況下，床身是 6個橡膠墊塊著地，故在橡膠墊塊的底面添加固定約束，圖 3 中的藍(lán)色區(qū)域為橡膠墊塊與地面接觸位置，查閱文獻［6］可知，橡膠墊塊材料的泊松比為 0． 49，彈性模量為 6． 1MPa，密度為
1000kg /m3。
圖 3 床身施加約束
提取床身的前 3 階模態(tài)，其固有頻率如表 1 所示，振型如圖 4 所示。
表 1 床身優(yōu)化前模態(tài)分析結(jié)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(cè)支撐平臺的剛度較弱，最大的振幅發(fā)生在第二階模態(tài)，達(dá)到了 2． 6644mm，由于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 Y 軸滑座與主軸箱上，從而引起刀具的振動，直接影響工件的加工精度和表面質(zhì)量。
因此，對床身進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進，提高床身的剛度，改善床身的動態(tài)特性，進而提高整機的加工精度和抗振性。
2． 2 床身優(yōu)化后模態(tài)分析
結(jié)合床身的仿真結(jié)果和整機裝配關(guān)系可知，床身變形主要集中在 X 軸滑座作用位置。考慮到床身質(zhì)量對動態(tài)特性的影響，在床身與 X 軸滑座接觸位置設(shè)計成回型筋板結(jié)的同時，通過填充兩側(cè)支撐板來提高床身剛度，以及平衡床身質(zhì)量，優(yōu)化結(jié)果如圖 5 所示。
圖 5 模型優(yōu)化前后對比
對優(yōu)化后的床身結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，其處理方式與優(yōu)化前保持完全一致，提取床身的前 3 階模態(tài)，其固頻率如表 2 所示，振型如圖 6 所示。
表 2 床身優(yōu)化后模態(tài)分析結(jié)果
圖 6 床身前 3 階振型圖
由頻率和振型圖可知，優(yōu)化后的床身模型最大變形仍出現(xiàn)在 X 軸滑座低側(cè)支撐平臺處，但各階最大變形量與優(yōu)化之前相比之下均減少了，其優(yōu)化前后的結(jié)果對比如表
3 所示。
表 3 床身優(yōu)化前、后的結(jié)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小，對于提高機床整機的加工精度至關(guān)重要，因此，針對床身的優(yōu)化是合理的。
3 、試驗?zāi)B(tài)分析
3． 1 試驗?zāi)B(tài)測試系統(tǒng)
工廠對優(yōu)化后的床身結(jié)構(gòu)進行了生產(chǎn)，我們對生產(chǎn)后的床身進行模態(tài)試驗，本實驗采用 SIMO 錘擊法測試方式，試驗測量系統(tǒng)共由三個部分組成: 激振系統(tǒng)，響應(yīng)采集系統(tǒng)，模態(tài)分析和處理系統(tǒng)，圖 7 所示為測試系統(tǒng)原理簡圖。
圖 7 測試系統(tǒng)原理簡圖
3． 2 試驗方案設(shè)計
3． 2． 1 支承方式
為盡量使床身的各階模態(tài)更好地顯示出來，在床身底面加上 6 個橡膠墊塊用來支撐床身部件。
3． 2． 2 激勵點和響應(yīng)測點的布置
一般來說激勵點的布置原則是根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點和試驗?zāi)康模圆贿z漏模態(tài)為前提而又盡可能簡化，此外激勵點還應(yīng)避免在各階模態(tài)的節(jié)點位置，節(jié)點位置可由試驗前的有限元分析獲得。
響應(yīng)測點位置以能反映零件的動態(tài)特性、振動明顯、能得到較好信噪比信號為原則［7］，試驗響應(yīng)測點布置如圖 8 所示。
圖 8 激勵點和響應(yīng)測點的布置
3． 3 模態(tài)試驗分析結(jié)果
采用東方振動噪聲研究所模態(tài)試驗測試分析設(shè)備Coinv DASP V10 中集總平均法進行模態(tài)定階識別，試驗后的床身模態(tài)頻率如表 4 所示，振型如圖 9 所示。
表 4 試驗?zāi)B(tài)分析結(jié)果
圖 9 試驗?zāi)B(tài)振型圖
3． 4 理論與試驗對比
通過試驗分析得到床身的前 3 階固有頻率并與其優(yōu)化后的理論分析結(jié)果進行對比，如表 5 所示，各階振型相同，同階固有頻率最大誤差為 13． 4% ，說明試驗結(jié)果與理論分析結(jié)果相一致。
表 5 理論與試驗分析結(jié)果對比
4 、結(jié)束語
本文以某工廠研制的葉輪專用加工中心為例，通過理論分析找出該加工中心床身結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，有針對性地提出優(yōu)化改進意見。
通過對比，優(yōu)化后的床身結(jié)構(gòu)固有頻率有明顯提高，近似頻率下相對變形量有所減小。最后通過試驗驗證了該方案的合理性和可行性。本文所得的結(jié)論為改善整機的動態(tài)特性奠定了一定的基礎(chǔ)。
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