CAD/CAE 技術(shù)在電火花加工機(jī)床設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

李 艷，楊大勇，劉建勇，蔡延華，藏寶玉

（1.北京市電加工研究所，北京 100191；2.北京迪蒙數(shù)控技術(shù)有限責(zé)任公司，北京 100191）

電火花加工以其特殊的加工性能，解決了傳統(tǒng)加工難以解決的制造難題，被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車及模具制造等領(lǐng)域。隨著制造領(lǐng)域向產(chǎn)品高精度化、材料多樣化、加工復(fù)雜化的方向發(fā)展，國(guó)內(nèi)對(duì)高檔電火花成形加工機(jī)床的需求越來(lái)越多，對(duì)機(jī)床設(shè)計(jì)水平的要求也越來(lái)越嚴(yán)格[1-3]。傳統(tǒng)電火花加工機(jī)床的設(shè)計(jì)通常采用結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法，主要利用理論力學(xué)、材料力學(xué)等公式進(jìn)行機(jī)床強(qiáng)度和剛度的計(jì)算，但對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)及其靜態(tài)性能的關(guān)系不能準(zhǔn)確把握；且由于電火花加工機(jī)床整機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行變形分析。

隨著CAD/CAE 技術(shù)在機(jī)床設(shè)計(jì)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，電火花加工機(jī)床的設(shè)計(jì)和制造水平大幅提高。利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD 軟件豐富的幾何造型功能和計(jì)算機(jī)輔助工程CAE 軟件強(qiáng)大的分析計(jì)算功能，可提高電火花加工機(jī)床的研發(fā)效率，大大縮短研發(fā)周期。同時(shí)，將現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法引入機(jī)床的設(shè)計(jì)中，改變了傳統(tǒng)的以物理樣機(jī)為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法，使設(shè)計(jì)人員可直接通過(guò)機(jī)床三維建模及有限元分析，對(duì)多種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行快速分析、比較和優(yōu)化。本文以電火花加工機(jī)床為研究對(duì)象，以TRIZ 理論為指導(dǎo)，在SolidWorks 軟件和ANSYS Workbench 軟件環(huán)境下，進(jìn)行機(jī)床三維建模和有限元分析，以縮短電火花加工機(jī)床的設(shè)計(jì)周期。

1 機(jī)床零件三維建模及運(yùn)動(dòng)干涉檢查

有限元軟件主要用來(lái)對(duì)模型進(jìn)行分析，它能建立較簡(jiǎn)單的幾何模型，而對(duì)一些復(fù)雜幾何模型的建立，則相對(duì)較困難。但有限元軟件一般都具有與CAD 軟件的接口功能，可充分利用CAD 軟件的三維造型功能。因此，可先利用CAD 軟件建立物體的幾何模型，再導(dǎo)入到有限元軟件中進(jìn)行分析。電火花加工機(jī)床的三維建模，是后續(xù)有限元分析的基礎(chǔ)。在機(jī)床開發(fā)過(guò)程中，借助CAD 三維幾何造型軟件，能快速、方便地設(shè)計(jì)和生成三維模型。

TRIZ 創(chuàng)新理論中的分割原理應(yīng)用技巧為：如果系統(tǒng)因重量或體積太大而不宜操縱，則可將其分割成若干輕便的子系統(tǒng)，使每一部分均易于操縱。應(yīng)用該原理，將電火花加工機(jī)床整機(jī)拆分為床身、立柱、滑枕、滑板、Z 軸底座、Z 軸和工作臺(tái)等部件。利用SolidWorks 三維造型軟件建立機(jī)床零件三維模型，按零件實(shí)際尺寸畫出其三維模型，如工作臺(tái)三維模型（圖1）、Z 軸三維模型（圖2）。零件模型建立完成后，進(jìn)行電火花加工機(jī)床整機(jī)裝配。機(jī)床裝配完成后，進(jìn)行干涉檢查，利用SolidWorks 軟件工具欄中的隱藏、顯示、局部放大、旋轉(zhuǎn)等功能，多方位、全角度地檢查機(jī)床零部件之間有無(wú)干涉情況。

圖1 工作臺(tái)三維模型

圖2 Z 軸三維模型

由于電火花加工機(jī)床結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要求各部件運(yùn)動(dòng)自如，且機(jī)床沿X、Y、Z 向運(yùn)動(dòng)時(shí)，各部件之間互不干涉。SolidWorks 可對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)的全過(guò)程進(jìn)行仿真，從而檢查出機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理之處，幫助設(shè)計(jì)人員及早發(fā)現(xiàn)、解決問(wèn)題，把設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)降到最小。圖3 是以Z 軸為例進(jìn)行的運(yùn)動(dòng)干涉檢查，通過(guò)模擬機(jī)床Z 軸的運(yùn)動(dòng)，能及早發(fā)現(xiàn)機(jī)床中的運(yùn)動(dòng)干涉，從而進(jìn)行設(shè)計(jì)修改。

圖3 Z 軸運(yùn)動(dòng)干涉檢查

2 電火花加工機(jī)床計(jì)算機(jī)輔助工程分析

利用SolidWorks 軟件建立機(jī)床三維實(shí)體模型后，再利用ANSYS Workbench 軟件進(jìn)行有限元分析。ANSYS Workbench 軟件是以有限元分析為基礎(chǔ)的大型通用CAE 軟件，作為ANSYS 公司開發(fā)的新一代產(chǎn)品平臺(tái)，不但繼承了ANSYS 經(jīng)典平臺(tái)在有限元仿真分析上的所有功能，而且融入了三維CAD軟件強(qiáng)大的幾何建模功能和ISIGHT 等優(yōu)化軟件在優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的優(yōu)勢(shì)，能幫助技術(shù)人員在同一軟件環(huán)境下完成產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中的所有工作，從而大大簡(jiǎn)化產(chǎn)品開發(fā)流程，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期[6]。

應(yīng)用ANSYS 有限元分析軟件來(lái)分析電火花加工機(jī)床關(guān)鍵零部件所受到的外加載荷，分析出最大應(yīng)力、位移、固有頻率和振型等，進(jìn)而判斷設(shè)計(jì)是否符合要求。如果在ANSYS 軟件中計(jì)算得到的數(shù)據(jù)證明電火花加工機(jī)床的某零部件不能滿足設(shè)計(jì)要求，則再回到SolidWorks 軟件中進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的修改，進(jìn)行下一輪的機(jī)床有限元分析，直到分析結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求為止。采用CAD/CAE 技術(shù)進(jìn)行機(jī)床設(shè)計(jì)，避免了傳統(tǒng)產(chǎn)品研發(fā)中經(jīng)常出現(xiàn)的設(shè)計(jì)→試制→修改→再設(shè)計(jì)→再試制→再修改的設(shè)計(jì)過(guò)程，確保產(chǎn)品一次開發(fā)成功，有利于降低電火花加工機(jī)床的開發(fā)成本，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率。

電火花加工機(jī)床有限元建模過(guò)程主要包括機(jī)床模型簡(jiǎn)化、模型導(dǎo)入、單元類型選擇和材料屬性定義、網(wǎng)格劃分等階段（圖4）。

圖4 機(jī)床有限元建模過(guò)程

在進(jìn)行有限元分析時(shí)，為簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程，進(jìn)行如下假設(shè)：①認(rèn)為電火花加工機(jī)床是各向同性材料，密度分布均勻，在工作過(guò)程中始終處于彈性階段；②假定位移和變形都是微小的。同時(shí)，在進(jìn)行機(jī)床幾何建模時(shí)，要求在盡量保持機(jī)床原始結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)床進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。機(jī)床表面上有些細(xì)小特征對(duì)結(jié)構(gòu)整體的性能影響很小，建立有限元幾何模型時(shí)就可忽略小的倒角、圓角和對(duì)結(jié)構(gòu)性能影響不大的小尺寸。通過(guò)選擇合適的元素，建立起能模擬真實(shí)情況的有限元幾何模型。

當(dāng)電火花加工機(jī)床的三維模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench 軟件后，軟件會(huì)自動(dòng)識(shí)別所有接觸表面，只需確定接觸表面是否為所需的部位，并確定接觸類型和接觸方式。在分析求解之前，需設(shè)定材料屬性，包括彈性模量、泊松比和密度。定義完材料屬性，需要進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分是進(jìn)行有限元數(shù)值模擬分析至關(guān)重要的一步，它直接影響著后續(xù)數(shù)值計(jì)算分析結(jié)果的精確性。網(wǎng)格劃分時(shí)，充分利用ANSYS Workbench 對(duì)大部件的自動(dòng)劃分功能；網(wǎng)格劃分完成后（圖5），就建立起了該機(jī)床的有限元模型。

機(jī)床整機(jī)有限元模型建立后，需進(jìn)行前處理，即施加載荷和約束。在計(jì)算靜力變形時(shí)，不能忽視它本身的重力對(duì)機(jī)床變形和加工的影響，即需要加載機(jī)床自身的重力。施加邊界條件和約束，對(duì)該機(jī)床而言，將床身底部螺栓連接處進(jìn)行固定約束處理。經(jīng)過(guò)前處理，加載合適、有效的約束和作用力，便可進(jìn)行求解。機(jī)床變形求解完成后，進(jìn)入ANSYS Workbench 下的Solution 模塊，查看機(jī)床變形情況。圖6 是機(jī)床整機(jī)變形云圖。可看出，機(jī)床床身、立柱部分變形較小，滑枕部分發(fā)生了明顯前傾，Z 軸底座出現(xiàn)了明顯變形?；?、Z 軸及其底座是電火花加工機(jī)床易發(fā)生變形的部件，在電火花加工機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)作為設(shè)計(jì)重點(diǎn)。

圖6 電火花加工機(jī)床變形云圖

振動(dòng)會(huì)造成機(jī)床零部件的共振或疲勞，從而破壞機(jī)床結(jié)構(gòu)，所以在設(shè)計(jì)機(jī)床時(shí)，必須考慮振動(dòng)所帶來(lái)的危害。模態(tài)分析是機(jī)床設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容，通過(guò)模態(tài)分析可確定設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)或機(jī)床主要部件的振動(dòng)特性（固有頻率和主振型），它們是承受動(dòng)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。

依據(jù)TRIZ 理論的預(yù)先作用原理，預(yù)先將滑枕進(jìn)行模態(tài)分析，確定固有頻率和振型。滑枕的前六階固有頻率見表1。可看出，滑枕的固有頻率高于工作頻率（50 Hz 以下），能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

表1 滑枕前六階固有頻率

圖7 是滑枕的前二階振型圖?；淼囊浑A振型表現(xiàn)為滑枕左右偏擺，其前端振型較大；二階振型表現(xiàn)為滑枕繞軸向扭曲，其后端振型較大。

圖7 滑枕振型圖

3 機(jī)床設(shè)計(jì)及技術(shù)改進(jìn)

3.1 加工面修正——應(yīng)用預(yù)先反作用原理

機(jī)床加工面的精度、剛度及結(jié)構(gòu)形式對(duì)機(jī)床的加工精度和承載能力有直接影響。加工面精度除了與本身精度有關(guān)外，還與基礎(chǔ)件變形有關(guān)。對(duì)于機(jī)床結(jié)構(gòu)件的變形，可根據(jù)變形曲線的形狀及變形大小，利用預(yù)先反作用原理，在機(jī)床X、Y、Z 向加工面加工時(shí)，加上大小相等、方向相反的修正量。加工后的滑板、滑枕和床身見分別見圖8～圖10，Z 軸底座見圖11。經(jīng)檢測(cè)，各加工面的加工誤差控制在要求的范圍內(nèi)，如平面度控制在0.01 mm 以內(nèi)。

圖8 加工后的滑板照片

圖9 加工后的滑枕照片

圖10 加工后的床身照片

圖11 加工后的Z 軸底座照片

3.2 Z 軸施加配重——應(yīng)用重量補(bǔ)償原理

Z 軸作為機(jī)床的垂直運(yùn)動(dòng)部件，在自身重力的作用下會(huì)引起滑枕變形，影響主軸相關(guān)部件的精度。如不采取措施平衡Z 軸重力，不僅會(huì)影響Z 軸運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，還會(huì)造成運(yùn)動(dòng)部件單面磨損，從而影響機(jī)床精度的保持性。本文采用配重對(duì)Z 軸重力進(jìn)行補(bǔ)償。配重方法一般有液壓配重和重物配重，液壓配重依靠液壓力來(lái)平衡運(yùn)動(dòng)部件的重量，但由于需要額外的液壓設(shè)備而加大了機(jī)床尺寸，實(shí)現(xiàn)難度較大；重物配重結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。故采用重物配重法對(duì)Z 軸重力進(jìn)行平衡（圖12）。通過(guò)對(duì)Z 軸施加配重，能有效降低運(yùn)動(dòng)慣量，避免因Z 軸負(fù)載過(guò)大而影響機(jī)床的運(yùn)動(dòng)靈敏度，大幅提升Z 軸的承載能力。

圖12 Z 軸施加配重

4 結(jié)論

將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD 技術(shù)和計(jì)算機(jī)輔助工程CAE 技術(shù)引入到電火花加工機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，利用SolidWorks 軟件進(jìn)行電火花加工機(jī)床三維建模，將建好的三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench 軟件進(jìn)行機(jī)床變形分析。結(jié)合TRIZ 理論進(jìn)行機(jī)床創(chuàng)新設(shè)計(jì)，將多種創(chuàng)新原理應(yīng)用到電火花加工機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。結(jié)果表明：運(yùn)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)，有助于設(shè)計(jì)人員及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)，不斷優(yōu)化電火花加工機(jī)床的結(jié)構(gòu)，從而縮短電火花加工機(jī)床新機(jī)型的研發(fā)周期，減少研發(fā)費(fèi)用，提高電火花加工機(jī)床的設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。

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