低速走絲電火花線切割機床床身的模態研究

2013-06-16  by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

1 引言
   
作為先進制造技術重要組成部分的特種加工技術,日益深刻影響著現代化的加工方式,并不斷拓寬我們的制造模式。而作為特種加工代表的低速走絲電火花線切割加工,不僅廣泛應用于醫學、航空、電子、電器、汽車、家電、輕工業等生產領域,而且在國內外都有較大的市場容量,其作為高新技術產品的研究價值不言而喻。
   
本文分析承載低速走絲電火花線切割機主體組件的床身部件,它是工作臺部件和走絲箱部件的主要承載者,是低速走絲電火花線切割機的關鍵總成結構,在切割過程中承受復雜的載荷工況,且板殼結構復雜,容易因各種不同的震動源的激勵而產生振動。而床身部件的振動則是影響整體機床精度的一個重要指標,必須使其具有足夠的靜剛度以保證裝配和使用的要求。因此,對低速走絲電火花線切割機進行最主要、最基本的模態研究就是對其床身進行模態分析。
   
    2 床身的模態研究
   
首先采用先進的三維 CAD 軟件 UGNX4 建立床身三維實體模型,然后將床身模型導入Hypermesh7.0 軟件中,并利用 HyperMesh 強大的有限元前處理功能對床身進行有限元模型的建立。在前處理過程中必要的幾何清理是不可或缺的(例如去除過多的倒角、用于安裝定位的螺釘孔等),預設置的床身材料為鑄鐵,密度為 7.3g/cm3,泊松比為 0.25,彈性模量為 150GPa。UG 建模的床身實體與導入后的有限元網格模型如圖 1 所示。

    
經過劃分的整個床身機構有限元模型共有 523888 個單元,結點數為 139267,總體有限元模型的自由度為 398940。針對床身設計要求,設定床身地面相對于地面為 0 自由度,以保證各零件的相對穩定性。
   
在 HyperMesh 的實特征分析卡 EIGRL 中對有限元模型進行模態分析參數的設置。計算從 0 到 1000 赫茲內 1~10 階模態,并在 LOADSTEP 統一設置載荷步長,然后提交OptiStruct 求解器進行優化運算,得到模態分析的結果如圖 2 所示(僅列舉前 14 階):

    
    由于文章篇幅關系,選取從第 1、4、8、10 階模態示意圖依次如圖 3 所示,其中不同的顏色代表不同的頻率范圍:
 

   
    3 結果分析及方案改進
   
由后處理顯示可以看出,低速走絲電火花線切割機床身部分的固有頻率略低,在承載用于驅動工作臺的滾珠絲杠處以及承載走絲箱部件處容易產生大的變形;同時由于床身四周壁板的支持強度不夠,容易產生局部振動變形;發生較大變形量的概率較低,振型復雜。 擬定可以解決該問題的方案有三種:
   
    1.增加相應薄壁處的壁厚尺寸,從而增強其剛度,進而改善其模態。
   
    2.在相應振幅較大處增加阻尼材料,改善其模態的情況。
   
    3.在相應振幅較大處位置設置加強筋。
   
    以上改進方案經過分析計算,得到如圖 4 所示的各改進方案與原設計的各階基振頻率對照:

    
考慮到成本、加工便易性以及造型美觀等因素,采取第三種方案較合理,在床身內部添加加強筋,不僅支持床身部件與其它部件的連接承載處,而且考慮到了床身部件側壁的變形。結構改良后的床身設計模態性能優異,其結構如圖 5 所示.

    
    4 結論
   
通過對低速走絲線切割機床床身部件的有限元模態分析結果,提出機床床身的多種改進設計方案,并進過進一步模態分析對比,證明所選改進后的方案有較好的剛度,是HyperMesh 軟件在特種加工機床設計分析中的成功應用。

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