1 引言

作為先進(jìn)制造技術(shù)重要組成部分的特種加工技術(shù)，日益深刻影響著現(xiàn)代化的加工方式，并不斷拓寬我們的制造模式。而作為特種加工代表的低速走絲電火花線切割加工，不僅廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、航空、電子、電器、汽車、家電、輕工業(yè)等生產(chǎn)領(lǐng)域，而且在國內(nèi)外都有較大的市場容量，其作為高新技術(shù)產(chǎn)品的研究價(jià)值不言而喻。

本文分析承載低速走絲電火花線切割機(jī)主體組件的床身部件，它是工作臺(tái)部件和走絲箱部件的主要承載者，是低速走絲電火花線切割機(jī)的關(guān)鍵總成結(jié)構(gòu)，在切割過程中承受復(fù)雜的載荷工況，且板殼結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易因各種不同的震動(dòng)源的激勵(lì)而產(chǎn)生振動(dòng)。而床身部件的振動(dòng)則是影響整體機(jī)床精度的一個(gè)重要指標(biāo)，必須使其具有足夠的靜剛度以保證裝配和使用的要求。因此，對低速走絲電火花線切割機(jī)進(jìn)行最主要、最基本的模態(tài)研究就是對其床身進(jìn)行模態(tài)分析。

2 床身的模態(tài)研究

首先采用先進(jìn)的三維 CAD 軟件 UGNX4 建立床身三維實(shí)體模型，然后將床身模型導(dǎo)入Hypermesh7.0 軟件中，并利用 HyperMesh 強(qiáng)大的有限元前處理功能對床身進(jìn)行有限元模型的建立。在前處理過程中必要的幾何清理是不可或缺的（例如去除過多的倒角、用于安裝定位的螺釘孔等)，預(yù)設(shè)置的床身材料為鑄鐵，密度為 7.3g/cm3，泊松比為 0.25，彈性模量為 150GPa。UG 建模的床身實(shí)體與導(dǎo)入后的有限元網(wǎng)格模型如圖 1 所示。

經(jīng)過劃分的整個(gè)床身機(jī)構(gòu)有限元模型共有 523888 個(gè)單元，結(jié)點(diǎn)數(shù)為 139267，總體有限元模型的自由度為 398940。針對床身設(shè)計(jì)要求，設(shè)定床身地面相對于地面為 0 自由度，以保證各零件的相對穩(wěn)定性。

在 HyperMesh 的實(shí)特征分析卡 EIGRL 中對有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析參數(shù)的設(shè)置。計(jì)算從 0 到 1000 赫茲內(nèi) 1~10 階模態(tài)，并在 LOADSTEP 統(tǒng)一設(shè)置載荷步長，然后提交OptiStruct 求解器進(jìn)行優(yōu)化運(yùn)算，得到模態(tài)分析的結(jié)果如圖 2 所示（僅列舉前 14 階）：

由于文章篇幅關(guān)系，選取從第 1、4、8、10 階模態(tài)示意圖依次如圖 3 所示，其中不同的顏色代表不同的頻率范圍：

3 結(jié)果分析及方案改進(jìn)

由后處理顯示可以看出，低速走絲電火花線切割機(jī)床身部分的固有頻率略低，在承載用于驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)的滾珠絲杠處以及承載走絲箱部件處容易產(chǎn)生大的變形；同時(shí)由于床身四周壁板的支持強(qiáng)度不夠，容易產(chǎn)生局部振動(dòng)變形；發(fā)生較大變形量的概率較低，振型復(fù)雜。 擬定可以解決該問題的方案有三種：

1．增加相應(yīng)薄壁處的壁厚尺寸，從而增強(qiáng)其剛度，進(jìn)而改善其模態(tài)。
2．在相應(yīng)振幅較大處增加阻尼材料，改善其模態(tài)的情況。
3．在相應(yīng)振幅較大處位置設(shè)置加強(qiáng)筋。

以上改進(jìn)方案經(jīng)過分析計(jì)算，得到如圖 4 所示的各改進(jìn)方案與原設(shè)計(jì)的各階基振頻率對照：

考慮到成本、加工便易性以及造型美觀等因素，采取第三種方案較合理，在床身內(nèi)部添加加強(qiáng)筋，不僅支持床身部件與其它部件的連接承載處，而且考慮到了床身部件側(cè)壁的變形。結(jié)構(gòu)改良后的床身設(shè)計(jì)模態(tài)性能優(yōu)異，其結(jié)構(gòu)如圖 5 所示.

4 結(jié)論

通過對低速走絲線切割機(jī)床床身部件的有限元模態(tài)分析結(jié)果，提出機(jī)床床身的多種改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)過進(jìn)一步模態(tài)分析對比，證明所選改進(jìn)后的方案有較好的剛度，是HyperMesh 軟件在特種加工機(jī)床設(shè)計(jì)分析中的成功應(yīng)用。