1 立式加工中心模態(tài)性能仿真分析
1-1有限元模型建立
立式加工中心主要由床身、床鞍、工作臺、立柱、主軸箱、主軸系統(tǒng)、導(dǎo)軌滑塊等組成，結(jié)構(gòu)如圖i (a)所示.建立加工中心整機(jī)的實(shí)體模型時，只考慮這些主要的零部件，并忽略掉倒角、圓角、凸臺、小孔等結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié).采用自由網(wǎng)格劃分的方法，共生成節(jié)點(diǎn)394個，單元22〇 486個，如圖1 (b)所示.
床身、床鞍、工作臺、立柱、主軸箱的材料是HT3〇0,主軸系統(tǒng)、導(dǎo)軌滑塊的材料是40Q.，材料屬性參數(shù)[s]如表1所示.
表1材料屬性參數(shù)
材料
彈性模量（GPa)
泊松比
密度（kg/m3)
HT300
130
0.24
7 250
40Cr
200
0.3
7 850
1.2結(jié)合面建模方法
大量研究表明，提高加工中心模態(tài)性能仿真精度的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確添加結(jié)合面之間的參數(shù)隊(duì)'該立式加工中心的結(jié)合面可以分為兩類：⑴螺栓固定結(jié)合面，存在于立柱和床身、主軸系統(tǒng)和主軸箱之間，即立柱和主軸系統(tǒng)通過螺栓分別固定在床身和主軸箱上；（2)導(dǎo)軌滑塊結(jié)合面，存在于工作臺和床鞍、床鞍和床身、主軸箱和立柱之間，即工作臺、床鞍和主軸箱可以在導(dǎo)軌上分別沿a：、2/、z向運(yùn)動.某企業(yè)基于國家科技重大專項(xiàng)，與高校合作開發(fā)了結(jié)合面數(shù)據(jù)庫，在數(shù)據(jù)庫中輸人結(jié)合面載荷和面積，就可以得到結(jié)合面的剛度和阻尼參數(shù).
1.2.1螺栓固定結(jié)合面參數(shù)
以立柱和床身之間的固定結(jié)合面為例，介紹結(jié)合面參數(shù)的獲取方法.該結(jié)合面的受力包括零部件（立柱、主軸箱和主軸系統(tǒng)）的重力和螺栓預(yù)緊力，其中重力G約16 180 N.螺栓預(yù)緊力F。的計(jì)算方法[8〗是：其中，T是螺栓捍緊力矩，N.m; if是擰緊力矩系數(shù)；d是螺紋的公稱直徑，mm.查閱加工中心的設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)算得到凡=551 〇〇〇 N.立柱與床身之間共8個螺栓，立柱和床身之間結(jié)合面承受的總壓力F為：
F = 8F〇 + G. (2)
貝IJ_F=4.42xl06 N，立柱和床身之間結(jié)合面的面積S約為0.19 m2.將F和S帶入數(shù)據(jù)庫，得到單個螺栓位置的剛度和阻尼如表2所示.
采用相同的方法，得到主軸系統(tǒng)和主軸箱之間單個螺栓位置的剛度和阻尼如表3所示.
1.2.2導(dǎo)軌滑塊結(jié)合面參數(shù)
以工作臺和床鞍之間的導(dǎo)軌滑塊結(jié)合面為例，介紹結(jié)合面參數(shù)的獲取方法工作臺的重力約4 577
N，4個滑塊與導(dǎo)軌的接觸面積約〇 〇24 8 m2 •將這兩個參數(shù)帶人數(shù)據(jù)庫，得到單個滑塊位置的剛度和阻尼如表4所示.
采用相同的方法得到床鞍和床身、主軸箱和立柱之間單個滑塊位置的結(jié)合面參數(shù)，分別如表5和表6所示■
圖2模態(tài)振型仿真結(jié)果
2 立式加工中心模態(tài)性能試驗(yàn)測試
2.1試驗(yàn)測試系統(tǒng)
為了驗(yàn)證仿真分析的精度，對加工中心的模態(tài)參數(shù)開展試驗(yàn)測試•采用單輸入多輸出丨9]的方法，在整機(jī)上共布置541個測試點(diǎn)，測點(diǎn)布置如圖3 (a)所示；使用力錘在每個位置敲擊3次以減小隨機(jī)誤差，將三向加
速度傳感器安裝在加工中心上拾取振動信號，其中立柱上布置3個，床身、床鞍、工作臺、主軸箱上各布置兩個；使用LMS多通道數(shù)據(jù)采集前端進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理•試驗(yàn)測試系統(tǒng)如圖3 (b)所示.
2.2試驗(yàn)測試結(jié)果
數(shù)據(jù)分析處理后，得到整機(jī)前4階固有頻率分別是43.693 Hz、62.173 Hz、92.299 Hz、127.224 Hz,前4階阻尼比分別是2.47%、3.01%、2.77%、5.21%，前4階模態(tài)振型如圖4所示.
2.3仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比
將固有頻率仿真與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，如表7所示.將圖2和圖4的模態(tài)振型對比可知，前兩階模態(tài)振型都是立柱和主軸箱擺動，后兩階模態(tài)振型都是床鞍和工作臺擺動.說明本文的模態(tài)仿真方法合理、結(jié)果準(zhǔn)確，可以用于分析和預(yù)測加工中心的模態(tài)性能.
3 立式加工中心模態(tài)性能優(yōu)化
3.1優(yōu)化方法
研究表明，低階的模態(tài)對加工中心的加工精度影響更大[1Q].為了保證加工中心的加工精度，應(yīng)適當(dāng)提高加工中心的低階固有頻率，加工時也應(yīng)避免在低階頻率附近切削加工.對于本文的立式加工中心，加工中心的結(jié)構(gòu)決定了低階模態(tài)振型，因此，本文以提高低階模態(tài)固有頻率為目標(biāo)，對加工中心的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化.由于前兩階模態(tài)振型表現(xiàn)為立柱和主軸箱的運(yùn)動，而且這兩個零件的尺寸更大、對模態(tài)影響也更大，因此對這兩個零件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化.
為了減小立柱的振動，加大立柱底部筋板的尺寸；為了減小立柱下部的應(yīng)力集中，將原來筋板的直角過渡修改為圓角過渡.為了增加主軸箱的剛度，加大了主軸箱側(cè)向筋板的跨度并適當(dāng)加大了筋板的寬度;為了減小主軸箱的應(yīng)力集中，將內(nèi)部筋板的直角過渡修改為圓角過渡.立柱和主軸箱的修改方法分別如圖5 (a)和5 (b)所示.
3.2優(yōu)化后加工中心模態(tài)性能仿真
由于立柱和主軸箱的質(zhì)量并沒有發(fā)生太大變化，因此仍然使用之前的結(jié)合面參數(shù).修改加工中心的模型，并添加材料屬性和結(jié)合面參數(shù)，仿真得到優(yōu)化后加工中心的前4階固有頻率，與優(yōu)化前的仿真結(jié)果進(jìn)行對比，
4結(jié)論
(1) 建立了立式加工中心的有限元模型，并重點(diǎn)介紹了螺栓固定結(jié)合面和導(dǎo)軌滑塊結(jié)合面的建模方法，仿真得到了加工中心的前4階固有頻率和模態(tài)振型.
(2) 試驗(yàn)測量了加工中心的模態(tài)參數(shù)，并與仿真結(jié)果進(jìn)行了對比.前4階固有頻率的仿真誤差最大為I4.59%，模態(tài)振型仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致，證明本文的仿真方法合理.
(3) 以立柱和主軸箱為對象，對加工中心的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化.優(yōu)化后加工中心的前4階固有頻率最大提高了5.69%，證明了優(yōu)化方法的有效性.
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