基于ANSYS的数控平旋盘旋转体的有限元分析*

张　涛1,郭旭红1,李其龙1,吉文正2

(1.苏州大学 机电工程学院，江苏 苏州 215006；2.苏州江源精密机械有限公司，江苏 苏州 215143)

基于ANSYS的数控平旋盘旋转体的有限元分析*

张涛1,郭旭红1,李其龙1,吉文正2

(1.苏州大学 机电工程学院，江苏 苏州 215006；2.苏州江源精密机械有限公司，江苏 苏州 215143)

摘要：数控平旋盘是一种具有 U 轴功能的机床附件，可以加工许多复杂型面。针对平旋盘旋转体的安装位置及功能特点，应用ANSYS软件进行建模，在实际工况条件下分析其动、静态力学特性。静态受力分析最大应力及整体变形的趋势，动态上进行模态分析，得到了前6阶固有振动频率、模态振型和应力-应变云图，为旋转体系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供了依据，验证设计的可靠性，为进一步的设计改进提供了理论依据和技术支持。

关键词：数控平旋盘；ANSYS ；静力特性；动力特性

高档数控机床是发展我国先进制造技术及重大装备的基础，具有重大的经济和战略地位。随着科学技术发展，制造技术的进步以及现实需求的变化，现代数控机床向着高速、高效、高精度、高可靠性和工艺复合化的方向发展，其结构朝着简约和集成模块化方向发展， 这对数控机床的设计提出了越来越高的要求，需要不断采取新的设计理论、方法、技术和手段支持创新产品的研发，其中高端机床关键功能部件的研发及产业化就是一个重要的方面。

数控平旋盘是数控镗铣床的重要功能部件。在使用数控镗铣床加工大直径孔时，由于受到刀具的局限，大直径孔的加工一般采用立铣刀圆弧插补的办法进行。采用此种加工工艺方法虽然能够获得满意的加工质量；但存在加工轨迹长、效率低和机床插补精度对加工几何精度影响大等问题，制约了数控镗铣床的效率和效能[1]。数控镗铣床配备了数控平旋盘后可以将铣削变为车削，增加了镗削大直径孔、平面、车削外圆、端面和切槽等功能，并且大幅度提高了加工效率。

作为平旋盘的主要功能部件，旋转体在平旋盘的动、静态特性方面起到了极为重要的作用，同时旋转体的质量大小、整体刚度直接影响了平旋盘的加工精度，所以研究旋转体的静态特性及受力变形情况，对于提高平旋盘整体的加工精度和效率，以及之后的改进设计具有重要的意义。

1UT5系列平旋盘简介

Utronic 系列平旋盘是意大利丹德瑞刀具公司生产的大中型精密刀具。UT5系列平旋盘的U轴与机床其他数控轴(数控镗床的W轴或V轴，数控龙门铣的Z轴或X轴)联动插补后，可实现镗内孔和内球面，车外圆和车外球面，车端面、车背面和切槽(各种弧形或异型密封槽)，镗锥孔、凹凸面、锥管螺纹和圆柱螺纹，也能完成各种复杂型面的加工。其实物图与效果模拟图如图1和图2所示。

图1　平旋盘实物图　　　图2　平旋盘效果模拟图

2平旋盘旋转体受力分析

平旋盘各零部件及旋转体整体的刚度和强度是设计结构时考虑的重点。平旋盘各零件及整体抵抗变形的能力，即其刚度，是平旋盘性能的重要指标之一。旋转体的质量，大小和在整个平旋盘刚度中所占比例，直接影响到整个部件的刚度分布及性能；因此，合理地设计平旋盘旋转体的结构，以及外壁和筋板的厚度，并分析其动静态刚度，可以提高设计效率，缩短产品的研发周期。平旋盘旋转体的三维实体模型如图3所示，具体结构尺寸见表1。

图3　旋转体三维实体模型

(mm)

旋转体是平旋盘的主要旋转零件，一般通过定位孔固定在与主轴相连的连接体上，其随主轴做旋转运动。旋转体工作时，一方面承受装有铣刀的滑板轴向力及径向力的作用，作用点在直线导轨的4个滑块上，等效处理后为作用在旋转体的4个定位孔块上，并且当滑块位于底座的最底端时底座受力最大；另一方面还要承受丝杠所带的压力，丝杠主要承受电主轴及其附件的重力[2]。对上述各力做简化处理和力的平移变换，可得旋转体内侧圆孔面承受丝杠转化的压力F=870 N,4个等效受力为：靠近滑板一侧圆孔受550 N的拉力，远离滑板一侧圆孔受760 N的压力，小圆孔的等效面积约为200 mm2。

3有限元分析

3.1旋转体模型建立及网格划分

本文应用三维建模软件Pro/E对旋转体零件进行建模，并对其进行适当的简化和修复，以中间文件的形式导入ANSYS系统，建立对应的有限元模型。材料属性见表2。

表2　主要材料参数

图4　模型网格划分

有限元的网格包括数据和单元信息。正确划分网格是进行有限元分析的先决条件。网格单元尺寸越小，划分越密集，求解精度也越高，同时求解过程持续时间也越长，对计算机硬件要求越高；所以，应该在满足求解精度的前提下，合理划分网格，以达到精、准、快的要求[3]。鉴于旋转体底座结构为空间不规则几何体，故选用10节点的SOLID92块单元，采用自由网格划分，几何体不规则部分采用协调分片算法自动生成四面体，规则部分采用扫掠法产生六面体网格。划分结果显示细化水平为8，节点数为112 403个，单元个数65 896个。模型网格划分结果如图4所示。

坐标轴的建立：X方向为旋转体水平方向；Y方向为旋转体垂直方向，即重力方向；Z方向与主轴进给方向一致。

3.2旋转体的静态特性分析

根据旋转体安装位置特点，其于主轴的轴端相连，约束应该施加在跟主轴相连的连接孔上，单独分析旋转体时，把内孔节点的连接位置看做不变量，实行完全约束。旋转体一方面还受其自身重力的影响，另一方面在竖直方面上做旋转运动。根据额定最大转速计算出转速为41.6 r/s。其余各受力、载荷见前文受力分析。

ANSYS软件求解模块进行分析计算，计算结束后旋转体的变形及应力如图5～图9所示。

图5　X方向上的变形　　　图6　Y方向上的变形

图7　Z方向上的变形　　　　　图8　整体变形

图9　整体受力

由图5～图9可以看出，X方向上最大变形值为6.059 μm，Y方向上最大变形值为7.607 μm，Z方向上最大变形值为17.446 μm，其总结构变形图上显示变形值大部分区间为0～1.2 μm。最大变形出现在远离旋转体中心最远边缘处受力最大的地方，故其变形也最大，其刚度为6.7×103N/μm。上述数据表明，旋转体的重力变形以及旋转产生的离心力不可忽视。为提高其静刚度，增强其抵抗变形的能力，应考虑筋板的结构形式及合理分布。

3.3旋转体的动态特性分析

3.3.1模态分析

执行动力学分析的第1步通常是计算忽略阻尼情况下的固有频率和振型，模态是机械结构的固有振动特性，通过模态分析方法可知结构物在某一易受影响的频率范围内的各阶主要模态的特性，就可以预言结构在此频段内在外部或内部各种振源作用下产生的实际振动影响[4]。因为低阶振型对旋转体振动特性影响比较大，所以只对旋转体的前6阶模态频率进行分析。分析结果见表3，前6阶模态振型图如图10所示。

图10　旋转体的前6阶模态振型

模态阶数振型频率/Hz1绕约束点连线为轴在XOZ平面内左右振动[5]1532绕约束点连线为轴在XOZ平面内上下振动3273绕约束点连线为轴在XOZ平面内一阶弯振3394沿整个圆周面一阶弯扭振[6]5015沿整个圆周面一阶弯扭振5656沿整个圆周面二阶弯扭振661

由表3可以看出，旋转体最低阶频率为153 Hz，其附属旋转件刀具的额定转速为8.3 r/s,丝杠的转速为33.3 r/s, 旋转体的最低阶频率远远高于其附属旋转件的最高频率。所以该旋转体避开了固有频率和激振频率的共振，具有良好的结构稳定性。由前6阶振型图可以看出，在各阶振型下，旋转体边缘尤其是约束点轴线两侧有相对的位移，若需要进一步提高该零件的刚度，可以采取在外圆周加强厚度等一系列措施。

3.3.2谐响应分析

谐响应分析是用于确定线性结构在承受随时间按正弦规律变化的载荷时稳态响应的一种技术，分析的是计算出结构在激振力频率下的响应，即响应位移与响应应力，并得到系统的动力响应与系统振动频率的曲线[7]。模态分析可得到旋转体各阶振型，表示整体的相对振动情况，而外力激励下各阶振型对整体振动作用大小是不同的，因此对旋转体进行谐响应分析可更清楚地看出旋转体在动态铣削力干扰下的抗振性能。

经过模态分析可知，旋转体变形最大位移在外圆周边缘离中心最远处，因此在这个区域内任意拾取—个节点来施加激振力，激振力的幅值取100 N，频率为0～1 000 Hz，分为10步进行谐响应分析。得到节点的幅频曲线(见图11)。

图11　分别为X、Y、Z方向上的频率-位移变化曲线

由结构动力学可知，当外载荷的激振频率与结构的固有频率接近时会引起共振，从而使得位移响应最大。由图11可以看出，频率为400～550 Hz以及700～900 Hz节点的三向振幅均较大，且响应位移出现了急剧变化，因此共振可能会发生在第4阶、第6阶和第7阶模态处，其中激振频率为870 Hz时，旋转体Y方向上的变形最大，为5.51 μm，其刚度为7.03×102N/μm,小于静力学分析的刚度6.7×103N/μm。第6阶模态振型对于旋转体动态性能影响最大，并且在实际加工过程中，旋转体的性能主要是由其动态特性决定的[8]；因此，在改进设计中，提高旋转体外圆周抗弯扭能力是技术的关键。

4结语

利用大型有限元软件ANSYS对UT5系列平旋盘的旋转体进行了静、动态特性分析。通过分析得到了旋转体受力变形，找出了结构的薄弱环节，以及分析振动模态情况，并通过谐响应分析得到了共振范围，为平旋盘的优化和改进提供了可参考的依据。今后的研究方向是着重研究将静态精度设计和动态特性分析设计结合起来，通过多学科设计优化方法对平旋盘进行系统的优化设计。

参考文献

[1] 徐敏,王水,罗宏. 基于提高主传动系统快速响应目标的平旋盘方案优化研究[J].机械设计与制造，2012(5):126-127.

[2] 曹立宏,李刚,王宏. 极坐标数控机床平旋盘底座的有限元分析[J]. 科学技术与工程，2012(9): 2041-2044.

[3] 曹明,宋春明，张东生，等. 基于ANSYS的定梁龙门机床横梁静力学特性分析及结构优化[J].机械工程师， 2014(10):112-114.

[4] 张志民,樊喜刚,周志刚，等. 基于ANSYS的摆线齿锥齿轮有限元模态分析与研究[J]. 新技术新工艺, 2015(1):100-101.

[5] Wang W S. Design and FEM analysis of a large turning table[J].Applied Mechanics and Materials, 2014,494/495:606-610.

[6] 高长银，李万全，刘丽. ANSYS Workbench14.5建模与仿真从入门到精通[M]. 北京：电子工业出版社，2014.

[7] 姜旭升,崇凯,赵会芳，等. 基于ANSYS的数控铣床关键部件动力学分析[J].机械设计与制造， 2009(5):106-107.

[8] 袁松海. 数控机床整机有限元分析[J]. 机床与液压，2008(4):17-18.

* 江苏省成果转化项目(BA2014004)

责任编辑彭光宇

FiniteElementAnalysisfortheCNCFacing&BoringHeadonANSYSSoftware

ZHANGTao1, GUO Xuhong1, LI Qilong1， JI Wenzheng2

(1.CollegeofMechanicalandElectricEngineering,SoochowUniversity,Suzhou215006,China;

2.JiangyuanPrecisionMachineryCo.,Ltd.,Suzhou215143,China)

Abstract：CNC facing & boring head is a kind of machine tool accessories with U axis function, and can be processed in many complex surface. According to installation location and functional features of the facing & boring head, set up the whole machine model using ANSYS software and analyze the dynamic performance on the condition of working machine tool. Analyzing the static force of maximum stress and the deformation of the whole trend and with dynamic modal analysis, obtaining the first six order natural vibration frequency, modal vibration mode and stress and strain contours. Vibration characteristics of the rotating body system has provided the basis for the vibration fault diagnosis and forecast and the characteristics of the structural dynamic optimization design. It verifies the reliability of the design and would provide the reference for the further design and optimization in theory.

Key words:CNC facing & boring head， ANSYS， static characteristics， dynamic characteristics

收稿日期：2015-03-26

作者简介：张涛(1990-),男，硕士研究生，主要从事精密机械有限元分析等方面的研究。

中图分类号：TH 123+4

文献标志码:A