电火花加工机床床身的有限元分析及优化

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1、嘲赣麟2015年12月第6期电火花加工机床床身的有限元分析及优化李艳翟力军王淑凤(北京市电加工研究所，北京100191)摘要：以电火花加工机床床身为研究对象，对其结构进行静力分析和模态分析，获得了最大变形量、固有频率和振型。对不同筋板厚度值和高度值的床身变形进行有限元分析。分析结果表明，筋板厚度和高度对床身的变形有较大影响。根据床身的变形量选择了较优的筋板厚度值和高度值。研究结果为优化床身结构和提高机床工作性能提供了一定理论依据。关键词：电火花加工；床身；静力分析；模态分析FiniteElementAnalysisandOptimizationofEDMMac

2、hineToolBedLiYanZhaiLijunWangShufeng(BeijingInstituteofElectro—Machining，Beijing100191)Abstract：AcertainWoeofEDMmachinetoolbediSchosenastheobjectofstudy．Staticanalysisandmodelanalysisweremade．Thedeformation，naturalfrequencies．andvibrationmodeswereobmined．Deformationsofthemachinet001

3、bedwithdifferentthicknessvaluesandheightvaluesofstiffeningribswereanalyzed．Theresultsshowthatthicknessvaluesandheightvaluesofstiffeningribshavegreatinfluenceondeformationofthemachinet001bed．Theoptimumthicknessvalueandheightvaluearechosenaccordingtothedeformation．Theresultsprovideasc

4、ientificbasicforimprovingmachinetoolbedstructureandoperatingperformance．Keywords：EDM：machinetoolbed；staticanalysis；modalanalysis1引言电火花加工是非接触式加工，能加工高速铣削不能加工的零件，在航空、航天、能源化工和模具制造等相关行业得到了广泛应用【l~3J。电火花加工机床整机结构包括床身、立柱、工作台和主轴头等机械部分，其中床身是基础结构件，它承载机床绝大部分的部件和载荷。电火花加工机床床身静态及模态特性的好坏直接关系到机床的加工精度

5、。通过静态分析可以确定机床床身静力变形的大小，模态分析可以确定机床床身的固有频率和振型【4】。研究机床结构件中筋板厚度和间距，对部件进行设计改进，可以提高加工精度【5J。利用有限元软件对电火花加工机床床身进行静力分析和模态分析，优化床身筋板的结构尺寸，为床身设计提供参考。2床身有限元模型的建立集成使用有限元分析软件与三维建模软件，既能发挥三维软件的复杂零件建模优势，又能发挥有限元分析软件的分析计算优势。先利用SolidWorks软件建立床身的三维模型，简化一些不影响床身刚度要求的小倒角、小圆弧，然后导入ANSYS软件中分析。在建立床身模型并定义材料属性之后，进

6、行有限元网格划分。图1为网格划分完成后建立的床身有限元模型。基金项目：北京市自然科学基金资助项目(课题号：3154033)；北京市科学技术研究院青年骨干计划项目(课题号：201426)。作者简介：李艳(1980一)，博士，机械制造及其自动化专业；研究方向：精密数控电火花加工机床及功能部件设计。收稿日期：2015一ll—1742黉攀羹艘航天制造技术图1床身有限元模型3床身静力分析图2为机床结构示意图，图3为机床总体结构图。机床包括床身、中滑板、上滑座、油槽、工作台、立柱和主轴头等部件。为了实现机床沿K】，方向的伺服运动，床身上安装有中滑板和上滑座2个支撑件，用来

7、承载油槽、工作台和工件等。立柱位于床身后部，其上通过导轨、滑块安装有主轴头，实现机床沿z方向的伺服运动。有限元分析床身模型施加载荷。在中滑板、上滑座、工作台、工作液、油槽、工件、夹具、立柱和主轴头等零部件综合作用的情况下，床身的变形分析结果如图4所示。床身的最大变形量为6．61941an，床身的静力变形较大。床身变形主要集中在前端，影响机床的加工精度。曰4、．卜一～．＼，r．1．(图2机床结构示意图图3机床总体结构图。譬—焉』”图4床身变形分析结果4床身模态分析在ANSYSWorkbench软件中模态分析床身，其前六阶固有频率如表l所示。固有频率高于工作频率(

8、50Hz以下)，固有频率随着模态分析阶