曹 力，鐘建琳

（北京信息科技大學機電學院，北京 100192）

基于ANSYS Workbench的床身材質對機床動力學特性影響的分析*

曹 力，鐘建琳

（北京信息科技大學機電學院，北京 100192）

高精度磨床是一種新型精密磨削數控機床，其床身材質合理的選取及布局對其動力學特性有著較大的影響，進而影響其加工質量和加工精度。應用ANSYS Workbench軟件對高精度磨床的床身分別以灰口鑄鐵、樹脂混凝土及鑄石為材質對磨床進行模態(tài)分析。結果表明樹脂混凝土床身的高精度磨床動力學特性高于灰口鑄鐵床身的高精度磨床動力學特性，鑄石床身的高精度磨床動力學特性高于樹脂混凝土床身的高精度磨床動力學特性。

床身材質；動態(tài)特性；模態(tài)分析

0　引言

現代數控加工業(yè)正向高質量、高精度的方向迅猛發(fā)展，因此對數控機床的動力學特性提出了更高要求。高精度磨床是近年來國內推出的精密磨削設備。床身是機床中一個關鍵的部件，其結構與材質將會直接關系到整個機床的動力學態(tài)特性，從而影響機床的加工質量與加工精度。在對機床床身合理布局的前提下，選擇合適的材料制造床身將有助于提高機床動態(tài)特性來提升其工作性能。數控機床動力學特性分析的方法主要是用模態(tài)分析，高精度磨床在不同材質制造的床身下通過模態(tài)分析得出相關數據，根據此數據選擇適合的材質制造床身，提升高精度磨床的動力學特性，滿足機床對加工質量和加工精度的要求［1］。

1　模態(tài)分析法

N自由度有阻尼振動系統(tǒng)可表示為：

其中［M］、［C］、［K］分別為剛度矩陣、阻尼矩陣和質量矩陣，｛F｝ 為外激勵矩陣，這里為零矩陣；分別為加速度矩陣、速度矩陣和位移矩陣。

當忽略了阻尼，式（1）的特征方程可寫為

目前，大多數數控機床模態(tài)分析主要通過有限元軟件完成。ANSYS Workbench是新一代集成的并行框架式有限元前后處理及分析仿真軟件，具有較高的求解精度和高可靠性，可進行靜力分析、動力學分析、非線性分析、熱傳導分析和空氣動力學分析、流體力學分析、模態(tài)分析與優(yōu)化分析等。通過應用ANSYS Workbench有限元軟件對高精度磨床在不同材質床身下進行模態(tài)分析，并用實驗模態(tài)分析方法對有限元模型進行驗證。

2　高精度磨床模型及灰口鑄鐵床身模態(tài)分析

由于高精度磨床的復雜性，在三維實體建模軟件Pro/ENGINEER，SolidWorks，UG中建模比在ANSYS Workbench中建模更方便、快捷，特別是建立高精度磨床這樣復雜的三維實體模型。本文通過三維建模軟件SolidWorks建立磨床各功能部件CAD模型，并通過軟件的裝配設計功能實現磨床整機各功能部件的組裝，整機三維模型與各部件名稱如圖1所示。

圖1　磨床實體模型

在數控機床結構中，床身是重要的功能部件，它起著支撐工作臺、立柱等關鍵零部件的作用。

機床床身結構的布局對整個機床的靜、動剛度有較大的影響，所以應對高精度磨床床身進行合理布局。

床身材質為灰口鑄鐵，考慮鑄鐵床身制造工藝，床身四周可看作為由筋板外形框架構成，內部采用合理的筋板結構構成出砂孔，既可以減輕床身的重量也可以保證必要的動、靜剛度。如圖2所示。

圖2　高精度磨床床身（床身材質為灰口鑄鐵）

利用有限元軟件提供的數據轉換接口，將模型保存為中性格式文件x-t，再把模型輸入到ANSYS Workbench系統(tǒng)中進行預處理，采用Automatic進行網格劃分，接觸區(qū)域對網格進行細化，建立有限元模型，如圖3所示。為了避免在導入Ansys Workbench時出錯，在建模時對不影響床身結構設計的細小部位進行簡化。如模型中的倒角、退刀槽、螺紋等。

圖3　高精度磨床模型

對于導入ANSYS Workbench系統(tǒng)中的高精度磨床模型中結合面均采用彈簧阻尼單元法［4］處理，對床身與地面接觸處施加固定約束。利用ANSYS Workbench軟件的Frequency Finder模態(tài)求解器對高精度磨床有限元模型進行求解。

床身材質為灰口鑄鐵，其材料特性：彈性模量取為110GPa，密度為7200kg/m3，泊松比為0.28。計算得到的前4階固有頻率，如表1所示。

表1　高精度磨床的固有頻率（床身材質為灰口鑄鐵）

3　高精度磨床灰口鑄鐵床身實驗模態(tài)分析

為了驗證有限元模型建立得是否準確，采用錘擊脈沖激勵法對床身材質為灰口鑄鐵的高精度磨床進行實驗模態(tài)分析，實驗測試框圖如圖4所示。

圖4　實驗模態(tài)測試框圖

3.1響應測點和激勵點的布置

根據高精度磨床結構尺寸，以即不丟失模態(tài)又要反映機床結構特點為原則進行響應測點布置，本實驗共有768個測點，如圖5所示。激勵點應避開系統(tǒng)任一階振型的節(jié)點，應選擇在便于激勵能量傳遞的位置，一般該位置的剛度應盡量大，即振幅比較大的點［2］。經有限元和預實驗指導，本實驗選定立柱靠近右上角一點為激勵點，即圖5中第254點。

圖5　響應測點分布圖

3.2采樣頻率

在實驗模態(tài)分析中，機床的動力學態(tài)性主要由低階模態(tài)決定，因此在模態(tài)實驗中主要考慮對低階的模態(tài)結果。本實驗中，采樣頻率是分析頻率的2.56倍，通過預實驗可知六個加速度傳感器的采樣頻率應設為320Hz，變時基倍數采用4，其錘擊頻率設為1280Hz，此時傳遞函數較好，相干性較高［3］。

3.3實驗數據處理

試驗模態(tài)分析中常用相干系數來判斷測試的可靠性，當相干系數γ2不小于0.8時，即認為傳遞函數估計是可信的［3］。在本次模態(tài)實驗中，大部分測點的相干函數是可信的。圖6為336測點處的相干函數曲線。

圖6　第336測點幅頻、相頻、相干曲線圖

3.4模態(tài)試驗分析結果

實驗數據采集完成后，用DASP測試分析軟件系統(tǒng)對數據進行變時基傳遞函數分析，并對所得的傳遞函數進行集總平均，質量歸一方式識別高精度磨床模態(tài)試驗頻率，如表2所示。

表2　高精度磨床模態(tài)試驗固有頻率（床身材質為灰口鑄鐵）

將仿真結果與模態(tài)試驗分析結果對比，如表3所示。

仿真結果與實驗測試結果在誤差范圍內［5］，說明有限元模型建立是正確的。

表3　仿真結果與模態(tài)試驗分析結果對比

4　高精度磨床樹脂混凝土床身模態(tài)分析

樹脂混凝土以E51環(huán)氧樹脂為基料，鄰苯二甲酸二丁酯DBP為增韌劑，以AGE為活性稀釋劑，乙二胺為固化劑，粉煤灰為填料，選用青石為粗骨料，細骨料為河砂的混合材質［9］?？紤]到高精度磨床機床關于床身的要求以及樹脂混凝土床身的制造工藝設計出樹脂混凝土床身，并用SolidWorks建立模型，其結構如圖7所示。

圖7　高精度磨床床身（床身材質為樹脂混凝土）

樹脂混凝土作為床身材質，其材料特性：彈性模量取為36800MPa，密度為2500kg/m3，泊松比為0.27。通過ANSYS Workbench計算床身為樹脂混凝土的高精度磨床得到前4階固有頻率，如表4所示。

表4　高精度磨床的固有頻率（床身材質為樹脂混凝土）

5　高精度磨床鑄石床身模型及模態(tài)分析

鑄石是一種硅酸鹽結晶材料，采用天然巖石或工業(yè)廢渣為主要原料。鑄石具有硬度高、耐磨性強，抗腐蝕性能強等優(yōu)點。根據高精度磨床關于床身的要求以及鑄石床身的制造工藝設計出鑄石床身并建造出了比例為1：3的小比例床身模型，如圖8所示。

圖8　高精度磨床床身（床身材質為鑄石）

床身材質為鑄石，其材料特性：彈性模量取為300GPa，密度為2200kg/m3，泊松比為0.2。經ANSYS Workbench計算床身為鑄石的高精度磨床得到前4階固有頻率，如表5所示。

表5　高精度磨床的固有頻率（床身材質為鑄石）

6　床身材質對高精度磨床動力學特性對比分析

對比上述床身材料分別為灰口鑄鐵、樹脂混凝土及鑄石的固有頻率的結果，如表6所示?？芍敶采聿馁|為鑄石時大大提高了高精度磨床的動力學特性。其主要原因是對床身結構的薄弱環(huán)節(jié)進行了加強，同時鑄石床身的支撐方式不同于鑄鐵床身，其支撐點和面積均大于鑄鐵床身，使結構受力均勻平穩(wěn)。

表6　高精度磨床在不同床身材質下的固有頻率

7　結束語

通過運用ANSYS Workbench軟件對影響高精度磨床動力學特性的床身材質進行了分析，得到了用鑄石制造機床床身能大幅度提升高精度磨床的動態(tài)特性的結論，進而滿足現代制造業(yè)對機床加工的需求。

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（編輯 趙蓉）

Analysis of the Effect of Bed Materials on Machine Tool's Dynamic Characteristics Based on ANSYS Workbench

CAO Li，ZHONG Jian-lin
（School of Mechanical&Electrical Engineering，Beijing Information Science&Technology University，Beijing 100192，China）

High precision grinding machine is a new-style precision grinding NC machine tools，the reasonable selection of bed material of high precision grinding machine has a great influence on its dynamic characteristics，which affects the machining quality and machining precision.ANSYS Workbench software is used for the mode analysis of different bed materials of high precision grinding machine such as grey cast iron，resin concrete and cast stone.The results showed that dynamic characteristics of the high precision grinding machine with resin concrete bed are higher than that with cast iron bed；and dynamic characteristics of the high precision grinding machine with cast stone bed are higher than that with resin concrete bed.

bed material；dynamic characteristic；modal analysis

TH166；TG547

A

1001-2265（2015）02-0061-04 DOI：10.13462/j.cnki.mmtamt.2015.02.017

2014-05-16；

2014-06-24

國家科技重大專項資助項目（2013ZX0400-1061）

曹力（1989—），男，沈陽人，北京信息科技大學碩士研究生，研究方向為數控技術與裝備，（E-mail）497402701@qq.com。