引言
隨著科學技術的發展，航空制造業的先進性成為了影響國家國際地位的重要標志之_。針對航空發動機葉輪的特點，某單位自主研發了航空發動機葉輪專用生產設備，根據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、大扭矩的五軸五聯動的特性。提高制造設備的性能，保證葉輪的加工質量的主要手段之一就是加工中心的動態特性研究》。
目前，國內、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科優化設計;(2;優化葉輪生產過程中的加工工藝，選取適當的加工參數和方法;③提高葉輪制造設備的性能，保證其加工質量。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特性研究。本文即從改善制造裝備入手，通過應用ANSYS Workbench軟件對某工廠自主研發的航空發動機葉輪專用生產設備的主 [1] [2] 要結構進行分析和優化來提高加工中心的動態特性，改善葉輪的加工質量。最后通過模態試驗驗證合理的優化設計,不但提高了本臺加工中心的性能，為今后加工中心結構的設計尤其是主要受力部位設計也提供了 _定的參考
床身是高速、高精五軸聯動銑削加工中心的關鍵部件，其動態性能直接影響到整個加工中心的加工精度、抗振性和穩定性，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節。因此運用計算機輔助軟件對床身結構進行分析，觀察床身結構在各階模態下的振型和固有頻率，找出其薄弱環節并進行合理的優化對改善加工中心整體的動態性能具有很大的意義1151。
1床身結構特點
葉輪是由多個薄且為自由曲面的葉片構成，其技術要求為：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、擺轉臺等關鍵部件組成，其模型如圖2所示。與床身直接接觸的結構為軸滑座和擺轉臺左、右兩箱體。其中軸滑座通過滑塊為軌結構與床身接觸;擺轉臺的左、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床身優化前模態分析
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中的藍色區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，其固有頻率如表1所示,振型如圖4所示。
表1床身優化前模態分析結果
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軸滑座低側支撐平臺的剛度較弱，最大的振幅發生在第二階模態,達到了 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量。因此，對床身進行結構優化改進，提高床身的剛度,改善床身的動態特性，進而提高整機的加工精度和抗振性。
2.2床身優化后模態分析
結合床身的仿真結果和整機裝配關系可知,床身變形主要集中在Z軸滑座作用位置。考慮到床身質量對其動態特性的影響，在床身與X軸滑座接觸位置設計成回型筋板結構的同時，通過填充兩側支撐板來提高床身剛度，以及平衡床身質量,優化結果如圖5所示。
對優化后的床身結構進行模態分析，其處理方式與優化前保持完全一致,提取床身的前3階模態，其固有頻率如表2所示，振型如圖6所示。
表2床身優化后模態分析結果
固有頻率（Hz)
100.33
160.54
床身X軸滑座低側支撐平臺沿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，優化后的床身模型最大變形仍出現在軸滑座低側支撐平臺處,但各階最大變形量與優化之前相比之下均減少了，其優化前后的結果對比如表3所示。
表3床身優化前、后的結果對比
優化前固有
頻率（HZ)
優化前最大變形量（mm)
優化后固有
優化后最大
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重要，因此,針對床身的優化是合理的。
3試驗模態分析
3.1試驗模態測試系統
工廠對優化后的床身結構進行了生產，我們對生產后的床身進行模態試驗，本實驗采用SIMO錘擊法測試方式，試驗測量系統共由三個部分組成：激振系統，響應采集系統,模態分析和處理系統，圖7所示為測試系統原理簡圖。
3.2試驗方案設計3.2.1支承方式
為盡量使床身的各階模態更好地顯示出來，在床身底面加上6個橡膠墊塊用來支撐床身部件。
3.2.2激勵點和響應測點的布置
一般來說激勵點的布置原則是根據結構的特點和試驗目的，以不遺漏模態為前提而又盡可能簡化，此外激勵點還應避免在各階模態的節點位置，節點位置可
3.3模態試驗分析結果
采用東方振動噪聲研究所模態試驗測試分析設備Coinv DASP V10中集總平均法進行模態定階識別，試驗后的床身模態頻率如表4所示，振型如圖9所示。
表4試驗模態分析結果
96.970139.027207.381
整體在平面擺動
床身Z軸滑座低側支撐平臺沿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化后的理論分析結果進行對比，如表5所示,各階振型相同，同階固有頻率最大誤差為13. 4 % ,說明試驗結果與理論分析結果相一致。
表5理論與試驗分析結果對比
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構的薄弱環節，有針對性地提出優化改進意見。通過對比，優化后的床身結構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。本文所得的結論為改善整機的動態特性奠定了一定的基礎。
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