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| 有限元分析 |
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。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。通过静态有限元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。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。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。
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。
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X、Y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6.6194um，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。
在ANSYS Workbench软件中模态分析床身，其前六阶固有频率如表1所示。固有频率高于工作频率（50Hz以下），固有频率随着模态分析阶数的增加而增大，在此基础上优化结构尺寸。
床身的前六阶振型图如图5所示。图5a为一阶振型图，表现为床身绕Y轴偏转，床身后端的振幅比较大；图5b为二阶振型图，表现为床身以Y轴为中心同时向内收缩或向外扩张；图5c为三阶振型图，表现为床身绕Y轴扭转振动；图5d为四阶振型图，表现为床身以Y轴为中心同时向内收缩或向外扩张，床身前端的振幅比较大；图5e为五阶振型图，表现为床身后端两侧凹凸变形；图5f为六阶振型图，表现为床身绕Y轴偏转。
床身是机床的基础结构件，它的变形影响到相关连接件的进给精度和运行平稳度。因此，有必要对床身进行结构尺寸优化，通过改变床身的筋板厚度和高度来改善和优化。床身剖面图如图6所示。图7为筋板厚度对床身固有频率的影响图。表2为优化床身筋板厚度的分析结果（设计初选筋板厚度为12mm）。由图7和表2中的分析结果可以看出：增加筋板厚度可以提高床身的固有频率，同时也会增加床身质量，提高制造成本。当筋板厚度从12mm增加到14mm时，床身的变形量减小12.9%；当筋板厚度从14mm增加到16mm时，床身的变形量减小13.2%；当筋板厚度从16mm增加到18mm时，床身的变形量减小10.7%；当筋板厚度从18mm增加到20mm时，床身的变形量减小9.6%。由以上分析可知，床身筋板厚度增加到16mm时，床身变形量的减小较为明显，再增加筋板厚度对床身变形量的影响变小。因此，筋板厚度16mm较为合适。
