摘 要：為了提高復(fù)雜型面/型腔零件電解加工的精度和質(zhì)量，開展了可實現(xiàn)直線和旋轉(zhuǎn)復(fù)合進給運動的臥式電解加工機床的優(yōu)化設(shè)計工作。使用UG軟件對臥式機床進行三維建模，并將簡化后的機床模型導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件中進行靜力學(xué)分析，依據(jù)變形分布云圖和應(yīng)力分布云圖分析機床結(jié)構(gòu)剛度;對運動臺結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，確定前6階固有頻率和振型，并采用變密度拓?fù)鋬?yōu)化方法進行優(yōu)化設(shè)計;最后，在考慮結(jié)構(gòu)工藝性的基礎(chǔ)上進行了結(jié)構(gòu)再設(shè)計，實現(xiàn)了機床的輕量化設(shè)計目標(biāo)。所研制出的電解加工機床具有足夠的剛度和穩(wěn)定性，可以滿足實際加工的要求。研究結(jié)果對電解加工機床的設(shè)計應(yīng)用具有一定的參考價值。

　　關(guān)鍵詞：特種加工機床;電解加工;靜力學(xué)分析;模態(tài)分析;變密度法;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

　　電解加工是機械制造行業(yè)中的一種重要加工技術(shù)，適合加工一些具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的難切削材料金屬零件，生產(chǎn)效率高，加工質(zhì)量好，在航空、航天、兵器制造領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。

　　在電解加工工藝實踐中，為了提高零件的加工精度和加工質(zhì)量，高壓力電解液、脈沖電流、振動進給、混氣電解液等多項工藝措施被廣泛運用，使得電解加工機床經(jīng)常工作在較大的交變載荷環(huán)境下，這對于機床結(jié)構(gòu)的剛度和承載穩(wěn)定性提出了非常高的要求。由于電解加工機床專用性強，一般需要根據(jù)加工的要求單獨定制，進行合理化設(shè)計。目前北京航空工藝研究所、南京航空航天大學(xué)和廣東工業(yè)大學(xué)等單位針對航空發(fā)動機葉片、整體葉盤、大導(dǎo)程滾珠螺母滾道等復(fù)雜零部件，相繼研制成功了多種型號的電解加工機床，獲得了較好的應(yīng)用[4-8]。

　　本文針對復(fù)雜型面/型腔零件的加工需求，采用臥式結(jié)構(gòu)布局，設(shè)計了專用的數(shù)控電解加工機[WTBX]床，可實現(xiàn)Z軸直線運動和C軸旋轉(zhuǎn)的復(fù)合進給運動。為了驗證機床結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，對機床床身、運動臺等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件進行了靜力學(xué)分析和模態(tài)分析，并采用變密度法對機床結(jié)構(gòu)進行了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計，有效提高了機床研制質(zhì)量，縮短了機床設(shè)計周期。

　　1 機床整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　開展機床設(shè)計時，應(yīng)結(jié)合電解加工的工藝特點，充分考慮機床的耐腐蝕性、剛性、抗震性等。圖1為設(shè)計的數(shù)控電解加工機床三維模型，整機采用臥式結(jié)構(gòu)布局，機床底座采用60 mm×60 mm的空心方鋼焊接而成，用以承載1 500 mm×1 000 mm×300 mm的大理石平臺，大理石平臺剛性好、耐腐蝕性強，可以為機床運動機構(gòu)提供穩(wěn)定的剛度支撐。

　　主軸進給機構(gòu)由直線運動系統(tǒng)和回轉(zhuǎn)運動系統(tǒng)組成，水平布置于大理石平臺上。其中直線運動系統(tǒng)中，伺服電機連接減速器，通過聯(lián)軸[WTBX]器將扭矩傳遞給滾珠絲桿螺母副，將電機轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成直線運動，從而實現(xiàn)工具陰極沿Z軸的直線進給運動。回轉(zhuǎn)運動系統(tǒng)則是通過回轉(zhuǎn)馬達(dá)驅(qū)動主軸作繞C軸的回轉(zhuǎn)運動，實現(xiàn)對工具陰極旋轉(zhuǎn)角度的實時控制，最終實現(xiàn)工具陰極直線和旋轉(zhuǎn)復(fù)合的進給運動。

　　為了防止電解液和氣體對機床零部件的腐蝕，電解加工過程在密封的環(huán)氧樹脂工作箱內(nèi)實施，并通過抽風(fēng)系統(tǒng)將氫氣及有害氣體排出，有效提高了機床的防護性能。

　　2 有限元靜力分析

　　2.1 模型簡化

　　機床模型的簡化處理是開展有限元分析的重要環(huán)節(jié)，實體模型中的非研究細(xì)節(jié)會增加網(wǎng)格數(shù)量，降低計算效率。為了保證分析計算的準(zhǔn)確性、縮短計算時間，文中根據(jù)機床結(jié)構(gòu)及受載情況，對受載較小或?qū)C床性能基本無影響的零部件進行以下簡化和刪除處理[9-11]：

　　1)機床底座、運動臺、滑枕為組焊件，認(rèn)為零部件材料均勻，不考慮存在的砂孔、局部密度不均勻等細(xì)節(jié);

　　2)圓角、倒角、螺紋孔等小尺寸幾何特征對機床整體結(jié)構(gòu)性能影響較小，但增加了劃分網(wǎng)格的難度和網(wǎng)格數(shù)量，使計算量大幅度增加，因此對于這些幾何特征進行刪除;

　　3)刪除對機床結(jié)構(gòu)強度無影響的非承載部件，如直線運動部分的伺服電機、用于位置反饋的光柵尺等;

　　4)不考慮機床安裝時產(chǎn)生的安裝應(yīng)力和機床工作時的溫度、濕度變化。

　　2.2 靜力學(xué)分析

　　1)定義機床各部件材料

　　電極桿主軸材料為40Cr，工作臺材料大理石，滑枕、絲杠座、回轉(zhuǎn)電機、運動臺材料為結(jié)構(gòu)鋼，滾珠絲杠材料為GCr15SiMn，導(dǎo)軌材料為4Cr13，工作箱材料為環(huán)氧樹脂，不銹鋼底板為1Cr18Ni9Ti。

　　2)定義接觸

　　整個機床模型是一個裝配體，在分析計算之前需要確定各部件之間的接觸關(guān)系，模型導(dǎo)入Mechanical后，程序能夠自動檢測并添加接觸關(guān)系。有需要添加的連接關(guān)系時，可通過Connections項來自行定義。本文設(shè)定各零部件之間的接觸類型為綁定(Bonded)。

　　3)定義約束和載荷

　　電解加工機床[WTBX]底座通過4個地腳螺栓固定在地面上，將結(jié)合面定義為X，Y，Z方向完全約束。電解加工時，機床所承受的負(fù)載主要是電解液的反向沖擊力和極間電磁力，這2項載荷都和加工電流密切相關(guān)，可以根據(jù)額定加工電流計算，見式(1)[1]。

　　Fmax=K2I， (1)

　　式中：Fmax為機床最大靜態(tài)載荷，N;K2為推力電流比，N/A，是加工電流與極間等效靜態(tài)載荷相對關(guān)系的等效系數(shù)，考慮到電解加工機床主要用于中小型零件的型面/型腔加工，取K2=4.5 N/A;I為加工電流，A。機床最大加工電流為500 A，根據(jù)式(1)估算，機床承受的最大靜態(tài)載荷F為2 250 N。對模型施加載荷和約束，如圖2所示。

　　4)結(jié)果分析

　　利用Workbench軟件進行有限元仿真計算，得到機床靜力分析結(jié)果，如圖3、圖4所示。

　　由圖3機床變形分布云圖可以看出，施加載荷后，機床變形主要發(fā)生在電機主軸、滑枕、工作箱處，但最大變形量僅為0.009 123 5 mm，對加工精度影響較小，使得加工穩(wěn)定性提高，這一結(jié)果也驗證了設(shè)置直線軸承座對電極主軸進行輔助支撐的必要性。由圖4機床應(yīng)力分布云圖可知，軸承座與運動臺連接處應(yīng)力為5.894 3 MPa，遠(yuǎn)小于機床所能承受的最大應(yīng)力。

　　綜上分析可以看出，機床整機結(jié)構(gòu)設(shè)計方案合理，具有足夠的剛度和強度，在以最大負(fù)載工作時，可以滿足電解加工的要求。

　　3 機床運動臺模態(tài)分析

　　模態(tài)分析是確定設(shè)計結(jié)構(gòu)或機械零部件的振動特性，從而得到結(jié)構(gòu)固有頻率和振型的過程，是動態(tài)設(shè)計的核心[12-15]。在電解加工機床受載復(fù)雜的情況下，只進行靜態(tài)特性分析是不夠的，還需要進行動態(tài)特性分析——模態(tài)分析。

　　3.1 初始結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　運動臺是電解加工機床的基礎(chǔ)支撐部件，驅(qū)動電極主軸直線進給的伺服電機通過沉頭孔安裝在運動臺的右端面上，電機在轉(zhuǎn)動的過程中所產(chǎn)生的周期性激振將會對運動臺的穩(wěn)定產(chǎn)生影響，如果激振頻率與運動臺固有頻率一致，將會產(chǎn)生共振，降低加工精度。因此，有必要對運動臺進行模態(tài)分析，研究其低階固有頻率分布狀態(tài)，避免激振頻率與運動臺固有頻率發(fā)生重疊。

　　運動臺初始結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖5所示，由前側(cè)板、后側(cè)板和底板焊接組成。運動臺上共設(shè)有4個用于安裝定位的面，安裝面1設(shè)有10個沉頭孔和4個螺紋孔，沉頭孔用于與大理石平臺安裝定位，螺紋孔用來安裝軸承座;安裝面2開設(shè)的18個螺紋孔用來固定導(dǎo)軌;安裝面3上的6個螺紋孔用于固定滾珠絲桿座;安裝面4的若干螺紋孔用于連接直線運動系統(tǒng)的驅(qū)動單元。

　　3.2 模態(tài)分析

　　運動臺在進行模態(tài)分析時，不需施加載荷，只需在模型的10個沉頭孔處施加固定約束。機床運動臺的材料、尺寸等各項參數(shù)定義如表1所示。

　　模態(tài)分析中，一般只研究結(jié)構(gòu)的低階振型，同時考慮到計算效率問題，只需要計算模型的前6階模態(tài)振型，計算精度可達(dá)99%。運動臺前6階模態(tài)的固有頻率計算結(jié)果和振型描述如表2所示。

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