航空發(fā)動(dòng)機作為飛機的動(dòng)力裝置，是飛機的“心臟”，按照不同的使用要求應具有安全性、可靠、綠色、環(huán)保、長(cháng)壽命、易維護等特點(diǎn)，因此航空發(fā)動(dòng)機零件制造對加工設備要求較高，不同材料、不同結構的發(fā)動(dòng)機零件需要的加工設備不同，總體上對加工設備的要求為高精度、高剛性、高穩定性、多功能和易維護…。隨著(zhù)數字化制造技術(shù)、信息化技術(shù)的發(fā)展，數控深孔鉆加工機床廣泛應用于航空制造領(lǐng)域，選擇加工航空零件的數控機床設備，首先要考慮加工零件的結構特點(diǎn)、尺寸精度要求和零件材料特性。葉盤(pán)、葉片加工設備通常采用精準五軸聯(lián)動(dòng)加工中心，能夠在一臺精準五軸聯(lián)動(dòng)加工中心上完成葉片型面和榫頭的全部加工任務(wù)[2-31�；剞D工作臺數控五軸聯(lián)動(dòng)機床是用于加工飛機發(fā)動(dòng)機葉片的關(guān)鍵設備，在機床的設計過(guò)程中，有必要采用有限元分析技術(shù)對機床整體結構進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能計算，保證機床加工葉片的高精度和穩定性。

1、有限元模型建立
根據機床各大件結構情況，采用殼結構(Shell model)和實(shí)體結構(Solid model)混合建模方式建立整機的有限元模型，對機床進(jìn)行結構靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)計算[410 CAE建模過(guò)程完全采用ANSYS命令流控制，這樣既可以提高計算精度，同時(shí)又能采用批處理方式處理多種分析工況，提高工作效率。立柱和底座是由薄板焊接成的結構件，所以在有限元建模時(shí)用二維板殼單元建模；主軸頭為復雜的鑄造結構件，采用三維實(shí)體單元處理。為提高計算精度，在需要建立位移協(xié)調關(guān)系的導軌接觸部位的實(shí)體部分用六面體單元劃分網(wǎng)格，圖1為參數化后的立柱殼結構模型與有限元網(wǎng)格。 將立柱、底座、主軸頭三獨立部件在CAE環(huán)境下按照機床裝配關(guān)系進(jìn)行組裝，立柱與底座、主軸頭與立柱之間的結合面采用彈性單元進(jìn)行連接，滑塊和導軌均簡(jiǎn)化為彈性單元，之間建立位移耦合連接關(guān)系，以此方式完成機床整體有限元模型的集成(圖2)，模擬立柱一底座、立柱一主軸頭之間結合面約束關(guān)系，實(shí)現作用力的準確傳遞。

ANSYS提供APDL(ANSYS Parametric Design Language)命令流編程方式編寫(xiě)分析文件，借助APDL，可實(shí)現結構快速建模、參數化批量化有限元計算；并適應結構的變化，通過(guò)修改其中的參數，快速生成新的結構，之后進(jìn)行網(wǎng)格劃分、加載、求解，完成結構的再分析，通過(guò)綜合比較這些方案的分析結果，就能發(fā)現結構改進(jìn)的方向。如深孔鉆立柱參數可分為形狀參數和厚度參數，形狀參數定義了結構的拓撲外觀(guān)，厚度參數用來(lái)給面單元賦值。圖3為通過(guò)參數輸入建立的3種立柱模型。

2、機床靜載荷條件下的性能分析
計算采用4種工況進(jìn)行，沿x、y、z三加工方向分別施加最大推力，定義為工況l、2、3；最后三方向綜合施加最大推力，定義為工況4。應用工況1、2、3的
計算結果，可計算出機床沿x、y、z各加工方向的剛度，由此可判斷機床各加工方向的剛性強弱，以此作為機床性能改進(jìn)的一種手段，圖4為機床x向施力圖及變形。
表1的計算數據表明：X／Y／Z 3個(gè)加工方向的剛度分別為189N／um、379N／um、510N／um，可見(jiàn)該機床最低剛度在戈坐標方向，最高剛度在z坐標方向。若要對機床進(jìn)行剛性加強，首選目標是加強X方向的剛性。
3、深孔鉆機床的模態(tài)計算
模態(tài)分析的目的是通過(guò)計算固有頻率和振型對結構設計提供參考，當激振力頻率接近某一固有頻率時(shí)，結構將發(fā)生共振。因此若激振力頻率不可改變，只有通過(guò)改變設計使結構固有頻率避開(kāi)激振頻率。
固有頻率與振型代表結構的內在本質(zhì)特性，計算結果與邊界條件定義有關(guān)，與外力無(wú)關(guān)陋J。為加快計算速度，一般需要對分析模型進(jìn)行大量的簡(jiǎn)化，處理過(guò)程需要豐富的分析經(jīng)驗。加工過(guò)程中機床部件之間都存在位置間的相對運動(dòng)，對于某一感興趣的位置進(jìn)行靜力分析時(shí)，通過(guò)對運動(dòng)部件間接觸表面施加有限節點(diǎn)的位移耦合建立邊界條件來(lái)分析，這樣做不會(huì )影響靜力分析結果的準確性，因為靜力分析中接觸面間的相對滑動(dòng)只是增加部件間的剛體位移，對變形和應力值沒(méi)有影響。
 
4、主軸系統處于Y向不同加工位置對機床性能的影響分析
機床主軸沿高度方向處于不同的加工位置時(shí)，機床性能可能有較大差別，如表3所示。圖6為主軸沿y坐標從上往下所處的3個(gè)加工位置，從靜力和動(dòng)態(tài)計算角度分析各加工位置機床性能。
可見(jiàn)，隨著(zhù)機床加工位置的變化，機床性能指標也有很大變化。當主軸在深孔鉆床立柱底部加工時(shí)，機床動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能最好，機床剛度是主軸處于頂部時(shí)的3倍左右，頻率值也提高很多。因此當加工葉片時(shí)盡量安排在立柱底部進(jìn)行。
5、結束語(yǔ)
     對回轉工作臺數控五軸聯(lián)動(dòng)機床進(jìn)行有限元分析，過(guò)程包括幾何模型簡(jiǎn)化處理、焊接結構零件的板殼結構參數化、結合面約束方式等建立有限元模型關(guān)鍵技術(shù)，并對整機進(jìn)行靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)結構計算。
(1)靜力下的剛度計算數據表明：X、Y、Z3個(gè)加工方向，最低剛度在x坐標方向，數值為189N/um；最高剛度在z坐標方向，數值為510N/um。該機床沿x方向剛度最低，若要對機床進(jìn)行剛性方面加強，首選目標是加強該方向的剛性，如可采用加厚立板的方式加強剛性。
(2)模態(tài)計算結果表明，機床初階頻率為41．128Hz，振型沿立柱x方向，證明該方向為機床最低剛度方向，該結論與靜力下的計算結果完全一致。因此模態(tài)分析結果對提高機床的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)剛度均可提供有益參考。
(3)為研究主軸頭運動(dòng)對機床性能的影響，分別計算了主軸頭位于立柱頂部、中部、底部3個(gè)位置時(shí)，自重下機床的變形規律。研究表明，主軸頭位于頂部時(shí)機床變形最大、剛度最低、初階固有頻率最低�？梢�(jiàn)，隨著(zhù)機床加工位置的變化，機床性能指標也有很大變化。當主軸在立柱底部加工時(shí)，機床動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能最好，深孔鉆機床剛度是主軸處于頂部時(shí)的3倍左右，頻率值也提高很多。