低速走丝电火花线切割机床床身的模态研究

不败金刚

1 引言
作为先进制造技术重要组成部分的特种加工技术，日益深刻影响着现代化的加工方式，并不断拓宽我们的制造模式。而作为特种加工代表的低速走丝电火花线切割加工，不仅广泛应用于医学、航空、电子、电器、汽车、家电、轻工业等生产领域，而且在国内外都有较大的市场容量，其作为高新技术产品的研究价值不言而喻。
本文分析承载低速走丝电火花线切割机主体组件的床身部件，它是工作台部件和走丝箱部件的主要承载者，是低速走丝电火花线切割机的关键总成结构，在切割过程中承受复杂的载荷工况，且板壳结构复杂，容易因各种不同的震动源的激励而产生振动。而床身部件的振动则是影响整体机床精度的一个重要指标，必须使其具有足够的静刚度以保证装配和使用的要求。因此，对低速走丝电火花线切割机进行最主要、最基本的模态研究就是对其床身进行模态分析。
2 床身的模态研究
首先采用先进的三维 CAD 软件 UGNX4 建立床身三维实体模型，然后将床身模型导入Hypermesh7.0 软件中，并利用 HyperMesh 强大的有限元前处理功能对床身进行有限元模型的建立。在前处理过程中必要的几何清理是不可或缺的（例如去除过多的倒角、用于安装定位的螺钉孔等)，预设置的床身材料为铸铁，密度为 7.3g/cm3，泊松比为 0.25，弹性模量为 150GPa。UG 建模的床身实体与导入后的有限元网格模型如图 1 所示。

经过划分的整个床身机构有限元模型共有 523888 个单元，结点数为 139267，总体有限元模型的自由度为 398940。针对床身设计要求，设定床身地面相对于地面为 0 自由度，以保证各零件的相对稳定性。
在 HyperMesh 的实特征分析卡 EIGRL 中对有限元模型进行模态分析参数的设置。计算从 0 到 1000 赫兹内 1~10 阶模态，并在 LOADSTEP 统一设置载荷步长，然后提交OptiStruct 求解器进行优化运算，得到模态分析的结果如图 2 所示（仅列举前 14 阶）：
6 q' ?; e/ D4 g( M. G: S
9 ]: V* a! R* x- |! o, Y由于文章篇幅关系，选取从第 1、4、8、10 阶模态示意图依次如图 3 所示，其中不同的颜色代表不同的频率范围：

3 结果分析及方案改进
由后处理显示可以看出，低速走丝电火花线切割机床身部分的固有频率略低，在承载用于驱动工作台的滚珠丝杠处以及承载走丝箱部件处容易产生大的变形；同时由于床身四周壁板的支持强度不够，容易产生局部振动变形；发生较大变形量的概率较低，振型复杂。 拟定可以解决该问题的方案有三种：
% q9 b. n6 b5 w1 i1．增加相应薄壁处的壁厚尺寸，从而增强其刚度，进而改善其模态。
" \7 m" Y" ]2 X1 i- m) G2．在相应振幅较大处增加阻尼材料，改善其模态的情况。
3．在相应振幅较大处位置设置加强筋。
+ Z. a: R( P) K8 h% ]4 J6 T; d3 X以上改进方案经过分析计算，得到如图 4 所示的各改进方案与原设计的各阶基振频率对照：
. R# k1 ]- w4 {- J
考虑到成本、加工便易性以及造型美观等因素，采取第三种方案较合理，在床身内部添加加强筋，不仅支持床身部件与其它部件的连接承载处，而且考虑到了床身部件侧壁的变形。结构改良后的床身设计模态性能优异，其结构如图 5 所示.

* ^4 M" g6 ~; n4 结论
通过对低速走丝线切割机床床身部件的有限元模态分析结果，提出机床床身的多种改进设计方案，并进过进一步模态分析对比，证明所选改进后的方案有较好的刚度，是HyperMesh 软件在特种加工机床设计分析中的成功应用。
文章关键词： 机床