基于 ANSYS 的插床滑枕有限元模態(tài)分析
2017-3-15 來(lái)源：江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系 作者：周琦，張惜君
摘要: 為提高插床的切削加工精度，對(duì)其重要零件滑枕的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。首先采用 Pro /E 軟件建立了插床滑枕的三維模型，然后利用 ANSYS 軟件對(duì)滑枕進(jìn)行有限元模態(tài)分析，確定了滑枕的固有頻率和振型，并對(duì)滑枕的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了可靠性評(píng)估，指出其薄弱部位。
關(guān)鍵詞: 滑枕; 有限元; 模態(tài)分析
隨著機(jī)床日益向高精度和自動(dòng)化方向發(fā)展，對(duì)于傳統(tǒng)的插床，除了要求質(zhì)量小、成本低、使用方便和良好的工藝性能外，還特別要求其具有愈來(lái)愈高的加工性能。研究表明，插床的加工質(zhì)量在很大程度上取決于滑枕運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)。本文中研究對(duì)象滑枕作為插床的重要零件，其動(dòng)態(tài)性能對(duì)工件的加工精度、表面質(zhì)量和生產(chǎn)率影響很大［1］。因此，有必要對(duì)滑枕進(jìn)行有限元模態(tài)分析，為插床的設(shè)計(jì)制造提供必要的依據(jù)。
1.滑枕建模及模態(tài)分析
1.1 建立滑枕的有限元模型
本文首先采用 Pro /E 軟件建立滑枕的模型，然后導(dǎo)入 ANSYS 軟件中進(jìn)行計(jì)算分析。在導(dǎo)入 ANSYS 之前，考慮到不同軟件在算法和設(shè)計(jì)上的差異，需要對(duì)滑枕模型的細(xì)部特征進(jìn)行簡(jiǎn)化以提高分析計(jì)算效率，主要簡(jiǎn)化如下［2］: 1) 忽略滑枕結(jié)構(gòu)體的螺釘孔、定位孔以及倒角等細(xì)小的結(jié)構(gòu); 2) 滑枕內(nèi)部的絲杠軸承座以等截面的圓環(huán)代替; 3) 滑枕結(jié)構(gòu)上的螺母座等不參與建模。
滑枕的三維簡(jiǎn)化模型如圖 1 所示。
滑枕的材料為灰鑄鐵 HT200，其材料特性為:密度 7． 2 × 10－ 6kg / mm3、彈性模量 1． 13 × 105MPa、泊松比 0． 25。
1.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置
滑枕模型選用十節(jié)點(diǎn)四面體三維實(shí)體單元( Solid92) 劃分網(wǎng)格［3］，采用智能控制自由網(wǎng)格分方式( Smart Mesh) ，劃分等級(jí)選用 6 級(jí)。經(jīng)過(guò)自動(dòng)運(yùn)算，得到導(dǎo)桿的有限元網(wǎng)格模型，如圖 2 所示。該模型有 87 356 個(gè)單元體，141 566 個(gè)節(jié)點(diǎn)。
圖 1 滑枕的簡(jiǎn)化三維模型
圖 2 滑枕有限元模型
在典型模態(tài)分析過(guò)程中，唯一有效的“載荷”是零位移約束［4］。因此，對(duì)于滑枕有限元模型的邊界條件設(shè)置，只需在滑枕與導(dǎo)軌的接觸位置處加載約束邊界條件，限制 X 向和 Y 向的自由度即可。
2.模態(tài)分析結(jié)果
考慮到滑枕的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及各種模態(tài)分析方法的適用范圍，在本模型中模態(tài)分析的提取方式采用 Block Lanczos 法［5 － 6］，比較符合插床運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)中滑枕的特點(diǎn)。
借助圖 2 在 ANSYS 中進(jìn)行模態(tài)分析，得到插床導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)中滑枕的前 10 階固有頻率和振型( 表1) ，振型圖如圖 3 ～ 11 所示。
表 1 滑枕的固有頻率及振型
從表 1 可知導(dǎo)桿的第一階模態(tài)的頻率為 0Hz。這是由于滑枕存在著沿 Z 向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，因此這一階模態(tài)為滑枕的剛體模態(tài)，可以不予考慮［7］。
滑枕在約束狀態(tài)下最低固有頻率為31． 647Hz，而設(shè)計(jì)規(guī)定導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)中滑枕每分鐘往復(fù)運(yùn)動(dòng)的次數(shù)為 20 ～ 80 次，通過(guò)計(jì)算可知滑枕的一階固有頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于滑枕往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)可能產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)激振頻率，因此導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的滑枕不會(huì)產(chǎn)生共振，滑枕的剛度符合系統(tǒng)整體要求。
圖 3 所示是滑枕的第二階固有頻率的振型圖，振動(dòng)變形主要發(fā)生在滑枕的開(kāi)槽部位，最大變形為0． 504 856mm，發(fā)生在滑枕的中間，振動(dòng)形變?yōu)榇怪庇谶\(yùn)動(dòng)方向的水平擺動(dòng)。而滑枕的其余部分振動(dòng)變形幾乎為零，可以忽略不計(jì)。這階振型形變?nèi)菀资够碓谒椒较虬l(fā)生振顫，容易使滑枕與連桿的傳動(dòng)受阻，連接位置發(fā)生偏移，影響機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的傳遞。
圖 4 所示是滑枕的第三階固有頻率的振型圖，振動(dòng)變形同樣主要發(fā)生在滑枕的開(kāi)槽部位，最大變形為0． 571767mm，同樣發(fā)生在滑枕的中間部位，不同之處是振動(dòng)形變?yōu)榇怪庇谶\(yùn)動(dòng)方向的豎直擺動(dòng)。而滑枕的其余部分振動(dòng)變形幾乎為零，可以忽略不計(jì)。
圖 3 滑枕第二階振型圖
圖 4 滑枕第三階振型圖
圖 5 所示是滑枕的第四階固有頻率的振型圖，振動(dòng)形變主要為中間部位沿運(yùn)動(dòng)方向的豎直扭轉(zhuǎn)形變振動(dòng)，且滑枕端部沿運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生了微量的位移; 最大振動(dòng)形變發(fā)生在槽的兩端，最大變形為0． 301 683mm。這階振型的振動(dòng)形變會(huì)導(dǎo)致滑枕與連桿的連接處發(fā)生疲勞損傷，甚至斷裂; 同時(shí)使插刀在切削運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生偏移，不利于插刀運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定輸出，影響加工表面質(zhì)量。
圖 5 滑枕第四階振型圖
圖 6 所示是滑枕的第五階固有頻率的振型圖，振動(dòng)形變主要為前部的水平扭曲形變振動(dòng)，最大振動(dòng)形 變 發(fā) 生 在 通 槽 和 插 刀 柄 部，最 大 變 形 為0． 286 568mm。滑枕的其余部位也發(fā)生了振動(dòng)形變，主要為滑枕后半部分在運(yùn)動(dòng)方向上發(fā)生了位移。
圖 6 滑枕第五階振型圖
圖 7 所示是滑枕的第六階固有頻率的振型圖，振動(dòng)形變主要為滑枕中部的扭曲形變振動(dòng)和通槽部位的水平位移形變振動(dòng)，最大振動(dòng)形變發(fā)生在通槽的前部，最大變形為 0． 299 835mm。
圖 7 滑枕第六階振型圖
圖 8 所示是滑枕的第七階固有頻率的振型圖，振動(dòng)變形主要為滑枕端部的偏移、中間部位的扭曲形變及整體的形變振動(dòng)。
圖 8 滑枕第七階振型圖
滑枕在運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生了壓縮位移，滑枕中間部位的雙圓頭槽變?yōu)楹J形，嚴(yán)重影響滑枕與其他構(gòu)件的連接，滑枕端部發(fā)生向后偏斜的最大形變，最大變形為 0． 282 766mm。
圖 9 所示是滑枕的第八階固有頻率的振型圖，振動(dòng)變形主要為滑枕端部的偏移、中間部位的扭曲形變及整體的形變振動(dòng)。最大振動(dòng)形變?yōu)榘l(fā)生在滑枕 中 部 的 雙 圓 頭 槽 扭 曲 變 形，最大變形為0． 348 643mm。
圖 9 滑枕第八階振型圖
圖 10 所示是滑枕的第九階固有頻率的振型圖，振動(dòng)形變主要為滑枕中間部位的扭曲形變振動(dòng)，最大振動(dòng)形變發(fā)生在雙圓頭槽的兩端，最大變形為 0． 490 947mm。從振型圖上可以看到，滑枕后側(cè)的雙圓頭槽側(cè)面發(fā)生了較大的形變位移，已經(jīng)與另一側(cè)的平行面發(fā)生交叉。
從這階振型可以看出滑枕中間部位的雙圓頭槽是滑枕比較薄弱的環(huán)節(jié)，因此在細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該特別注意這些地方可能對(duì)整個(gè)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的不良影響。
圖 10 滑枕第九階振型圖
圖 11 所示是滑枕的第十階固有頻率的振型圖，振動(dòng)形變主要為滑枕端部的偏斜、中部的扭曲和尾部沿運(yùn)動(dòng)方向的位移，最大振動(dòng)形變發(fā)生在滑枕的端部和尾部，最大變形為 0． 320 790mm。
圖 11 滑枕第十階振型圖
綜上所述可知:
1) 滑枕的材料和尺寸總體上能夠滿足強(qiáng)度和剛度的要求，但中間部分和端部是整個(gè)零件的薄弱部位。因此，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意加強(qiáng)這些部位的材料剛度或在這些部位進(jìn)行相應(yīng)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)以加強(qiáng)其結(jié)構(gòu)剛度，從而避免共振現(xiàn)象的發(fā)生，防止各部位發(fā)生疲勞損傷，產(chǎn)生斷裂。
2) 由模態(tài)分析計(jì)算結(jié)果可知，其最低固有頻率高于導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)激勵(lì)頻率，因此導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)不會(huì)產(chǎn)生共振，其剛度符合系統(tǒng)要求。這些研究都有利于進(jìn)一步優(yōu)化滑枕的結(jié)構(gòu)，從而提高整個(gè)導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)各方面的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性能。
3.結(jié)束語(yǔ)
本文的研究方法找出了插床滑枕振動(dòng)的敏感部位和薄弱環(huán)節(jié)，為插床的設(shè)計(jì)提供了一定的科學(xué)依據(jù)。對(duì)企業(yè)而言，避免了樣機(jī)試制造成的資源浪費(fèi)，具有重要的工程實(shí)際意義。但是，目前的研究工作僅限于對(duì)重要零件的有限元模態(tài)分析，要體現(xiàn)虛擬樣機(jī)技術(shù)在插床設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)，對(duì)于插床進(jìn)給機(jī)構(gòu)乃至插床整體的有限元分析，還需要進(jìn)一步深入研究。
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