引言
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，航空制造業(yè)的先進性成為了影響國家國際地位的重要標(biāo)志之_。針對航空發(fā)動機葉輪的特點，某單位自主研發(fā)了航空發(fā)動機葉輪專用生產(chǎn)設(shè)備，根據(jù)葉輪的加工工藝特點，要求加工中心具有高加速度、高精度、高剛度、大扭矩的五軸五聯(lián)動的特性。提高制造設(shè)備的性能，保證葉輪的加工質(zhì)量的主要手段之一就是加工中心的動態(tài)特性研究》。
目前，國內(nèi)、外對葉輪制造進行了大量的研究，主要包括以下三個方面：①運用計算機輔助手段對葉輪進行多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計;(2;優(yōu)化葉輪生產(chǎn)過程中的加工工藝，選取適當(dāng)?shù)募庸?shù)和方法;③提高葉輪制造設(shè)備的性能，保證其加工質(zhì)量。其中，提高制造裝備研究的主要手段之一就是加工中心動態(tài)特性研究。本文即從改善制造裝備入手，通過應(yīng)用ANSYS Workbench軟件對某工廠自主研發(fā)的航空發(fā)動機葉輪專用生產(chǎn)設(shè)備的主 [1] [2] 要結(jié)構(gòu)進行分析和優(yōu)化來提高加工中心的動態(tài)特性，改善葉輪的加工質(zhì)量。最后通過模態(tài)試驗驗證合理的優(yōu)化設(shè)計,不但提高了本臺加工中心的性能，為今后加工中心結(jié)構(gòu)的設(shè)計尤其是主要受力部位設(shè)計也提供了 _定的參考
床身是高速、高精五軸聯(lián)動銑削加工中心的關(guān)鍵部件，其動態(tài)性能直接影響到整個加工中心的加工精度、抗振性和穩(wěn)定性，同時，加工中心的床身承載了加工中心的所有運動部件，也是決定加工中心剛度的重要環(huán)節(jié)。因此運用計算機輔助軟件對床身結(jié)構(gòu)進行分析，觀察床身結(jié)構(gòu)在各階模態(tài)下的振型和固有頻率，找出其薄弱環(huán)節(jié)并進行合理的優(yōu)化對改善加工中心整體的動態(tài)性能具有很大的意義1151。
1床身結(jié)構(gòu)特點
葉輪是由多個薄且為自由曲面的葉片構(gòu)成，其技術(shù)要求為：葉片型面輪廓度為〇. 1,直徑范圍小200?</>500,葉片前后緣尺寸最小為K0. 1 ~R0. 15mm,粗糖度i?a0.8。米用欽合金rC4、局溫鏡基合金GH4169材料，如圖1所示。
葉輪加工中心由床身、y軸滑座、x軸滑座、主軸箱、擺轉(zhuǎn)臺等關(guān)鍵部件組成，其模型如圖2所示。與床身直接接觸的結(jié)構(gòu)為軸滑座和擺轉(zhuǎn)臺左、右兩箱體。其中軸滑座通過滑塊為軌結(jié)構(gòu)與床身接觸;擺轉(zhuǎn)臺的左、右兩箱體則通過螺栓直接固定在床身上。床身的材料是QT500,查閱文獻H可知，該材料泊松比為〇. 275,彈性模量為169GPa,密度為7100kg/m3。
2床身有限元分析
2.1床身優(yōu)化前模態(tài)分析
利用三維建模軟件去除對分析無影響的倒角、小孔（包括地腳螺栓安裝孔、導(dǎo)軌安裝孔等），以減少計算量,縮短計算時間。由于實際試驗狀況下，床身是6個橡膠墊塊著地，故在橡膠墊塊的底面添加固定約束,圖3中的藍(lán)色區(qū)域為橡膠墊塊與地面接觸位置，查閱文獻H可知，橡膠墊塊材料的泊松比為0.49,彈性模量為 6. IMPa,密度為 1000kg/m3。
圖3床身施加約束
提取床身的前3階模態(tài)，其固有頻率如表1所示,振型如圖4所示。
表1床身優(yōu)化前模態(tài)分析結(jié)果
階次
固有頻率（HZ)
振型描述
第一
96.706
整體在xoy平面擺動
第二
116.56
床身尤軸滑座低側(cè)支撐平臺沿Z方向前后擺動
第三
195.01
整體繞Z軸扭動
從前3階振型圖可以看出，床身的Z軸滑座低側(cè)支撐平臺的剛度較弱，最大的振幅發(fā)生在第二階模態(tài),達(dá)到了 2.6644mm,由于床身的最大變形處支撐X軸滑座，因此床身的振動會直接傳遞到I軸滑座上，進_步傳遞到F軸滑座與主軸箱上，從而引起刀具的振動，直接影響工件的加工精度和表面質(zhì)量。因此，對床身進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進，提高床身的剛度,改善床身的動態(tài)特性，進而提高整機的加工精度和抗振性。
2.2床身優(yōu)化后模態(tài)分析
結(jié)合床身的仿真結(jié)果和整機裝配關(guān)系可知,床身變形主要集中在Z軸滑座作用位置。考慮到床身質(zhì)量對其動態(tài)特性的影響，在床身與X軸滑座接觸位置設(shè)計成回型筋板結(jié)構(gòu)的同時，通過填充兩側(cè)支撐板來提高床身剛度，以及平衡床身質(zhì)量,優(yōu)化結(jié)果如圖5所示。
對優(yōu)化后的床身結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，其處理方式與優(yōu)化前保持完全一致,提取床身的前3階模態(tài)，其固有頻率如表2所示，振型如圖6所示。
表2床身優(yōu)化后模態(tài)分析結(jié)果
固有頻率（Hz)
100.33
160.54
床身X軸滑座低側(cè)支撐平臺沿Z方向前后擺動
237.13
整體繞z軸扭動
由頻率和振型圖可知，優(yōu)化后的床身模型最大變形仍出現(xiàn)在軸滑座低側(cè)支撐平臺處,但各階最大變形量與優(yōu)化之前相比之下均減少了，其優(yōu)化前后的結(jié)果對比如表3所示。
表3床身優(yōu)化前、后的結(jié)果對比
優(yōu)化前固有
頻率（HZ)
優(yōu)化前最大變形量（mm)
優(yōu)化后固有
優(yōu)化后最大
變形量（mm)
0.74937
0.74874
2.6644
2. 1041
1.4796
1.3768
由表3可知,床身前3階固有頻率均有明顯提高,近似頻率下相對變形量有所減小,對于提高加工中心整機的加工精度至關(guān)重要，因此,針對床身的優(yōu)化是合理的。
3試驗?zāi)B(tài)分析
3.1試驗?zāi)B(tài)測試系統(tǒng)
工廠對優(yōu)化后的床身結(jié)構(gòu)進行了生產(chǎn)，我們對生產(chǎn)后的床身進行模態(tài)試驗，本實驗采用SIMO錘擊法測試方式，試驗測量系統(tǒng)共由三個部分組成：激振系統(tǒng)，響應(yīng)采集系統(tǒng),模態(tài)分析和處理系統(tǒng)，圖7所示為測試系統(tǒng)原理簡圖。
3.2試驗方案設(shè)計3.2.1支承方式
為盡量使床身的各階模態(tài)更好地顯示出來，在床身底面加上6個橡膠墊塊用來支撐床身部件。
3.2.2激勵點和響應(yīng)測點的布置
一般來說激勵點的布置原則是根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點和試驗?zāi)康模圆贿z漏模態(tài)為前提而又盡可能簡化，此外激勵點還應(yīng)避免在各階模態(tài)的節(jié)點位置，節(jié)點位置可
3.3模態(tài)試驗分析結(jié)果
采用東方振動噪聲研究所模態(tài)試驗測試分析設(shè)備Coinv DASP V10中集總平均法進行模態(tài)定階識別，試驗后的床身模態(tài)頻率如表4所示，振型如圖9所示。
表4試驗?zāi)B(tài)分析結(jié)果
96.970139.027207.381
整體在平面擺動
床身Z軸滑座低側(cè)支撐平臺沿Z方向前后擺動
3.4理論與試驗對比
通過試驗分析得到床身的前3階固有頻率并與其優(yōu)化后的理論分析結(jié)果進行對比，如表5所示,各階振型相同，同階固有頻率最大誤差為13. 4 % ,說明試驗結(jié)果與理論分析結(jié)果相一致。
表5理論與試驗分析結(jié)果對比
理論分析（HZ)
試驗分析(HZ)
誤差
96.970
3.35%
139.027
13.4%
207.381
10. 1%
4結(jié)束
本文以某工廠研制的葉輪專用加工中心為例，通過理論分析找出該加工中心床身結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)，有針對性地提出優(yōu)化改進意見。通過對比，優(yōu)化后的床身結(jié)構(gòu)固有頻率有明顯提高，近似頻率下相對變形量有所減小。最后通過試驗驗證了該方案的合理性和可行性。本文所得的結(jié)論為改善整機的動態(tài)特性奠定了一定的基礎(chǔ)。
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