CAD/CAE 技术在电火花加工机床设计中的应用研究

李 艳，杨大勇，刘建勇，蔡延华，藏宝玉

（1.北京市电加工研究所，北京 100191；2.北京迪蒙数控技术有限责任公司，北京 100191）

电火花加工以其特殊的加工性能，解决了传统加工难以解决的制造难题，被广泛应用于航空航天、汽车及模具制造等领域。随着制造领域向产品高精度化、材料多样化、加工复杂化的方向发展，国内对高档电火花成形加工机床的需求越来越多，对机床设计水平的要求也越来越严格[1-3]。传统电火花加工机床的设计通常采用结构强度设计方法，主要利用理论力学、材料力学等公式进行机床强度和刚度的计算，但对机床结构及其静态性能的关系不能准确把握；且由于电火花加工机床整机结构复杂，很难建立数学模型进行变形分析。

随着CAD/CAE 技术在机床设计领域的广泛应用，电火花加工机床的设计和制造水平大幅提高。利用计算机辅助设计CAD 软件丰富的几何造型功能和计算机辅助工程CAE 软件强大的分析计算功能，可提高电火花加工机床的研发效率，大大缩短研发周期。同时，将现代设计方法引入机床的设计中，改变了传统的以物理样机为基础的设计方法，使设计人员可直接通过机床三维建模及有限元分析，对多种设计方案进行快速分析、比较和优化。本文以电火花加工机床为研究对象，以TRIZ 理论为指导，在SolidWorks 软件和ANSYS Workbench 软件环境下，进行机床三维建模和有限元分析，以缩短电火花加工机床的设计周期。

1 机床零件三维建模及运动干涉检查

有限元软件主要用来对模型进行分析，它能建立较简单的几何模型，而对一些复杂几何模型的建立，则相对较困难。但有限元软件一般都具有与CAD 软件的接口功能，可充分利用CAD 软件的三维造型功能。因此，可先利用CAD 软件建立物体的几何模型，再导入到有限元软件中进行分析。电火花加工机床的三维建模，是后续有限元分析的基础。在机床开发过程中，借助CAD 三维几何造型软件，能快速、方便地设计和生成三维模型。

TRIZ 创新理论中的分割原理应用技巧为：如果系统因重量或体积太大而不宜操纵，则可将其分割成若干轻便的子系统，使每一部分均易于操纵。应用该原理，将电火花加工机床整机拆分为床身、立柱、滑枕、滑板、Z 轴底座、Z 轴和工作台等部件。利用SolidWorks 三维造型软件建立机床零件三维模型，按零件实际尺寸画出其三维模型，如工作台三维模型（图1）、Z 轴三维模型（图2）。零件模型建立完成后，进行电火花加工机床整机装配。机床装配完成后，进行干涉检查，利用SolidWorks 软件工具栏中的隐藏、显示、局部放大、旋转等功能，多方位、全角度地检查机床零部件之间有无干涉情况。

图1 工作台三维模型

图2 Z 轴三维模型

由于电火花加工机床结构复杂，要求各部件运动自如，且机床沿X、Y、Z 向运动时，各部件之间互不干涉。SolidWorks 可对机床运动的全过程进行仿真，从而检查出机床结构设计的不合理之处，帮助设计人员及早发现、解决问题，把设计风险降到最小。图3 是以Z 轴为例进行的运动干涉检查，通过模拟机床Z 轴的运动，能及早发现机床中的运动干涉，从而进行设计修改。

图3 Z 轴运动干涉检查

2 电火花加工机床计算机辅助工程分析

利用SolidWorks 软件建立机床三维实体模型后，再利用ANSYS Workbench 软件进行有限元分析。ANSYS Workbench 软件是以有限元分析为基础的大型通用CAE 软件，作为ANSYS 公司开发的新一代产品平台，不但继承了ANSYS 经典平台在有限元仿真分析上的所有功能，而且融入了三维CAD软件强大的几何建模功能和ISIGHT 等优化软件在优化设计方面的优势，能帮助技术人员在同一软件环境下完成产品研发过程中的所有工作，从而大大简化产品开发流程，缩短产品研发周期[6]。

应用ANSYS 有限元分析软件来分析电火花加工机床关键零部件所受到的外加载荷，分析出最大应力、位移、固有频率和振型等，进而判断设计是否符合要求。如果在ANSYS 软件中计算得到的数据证明电火花加工机床的某零部件不能满足设计要求，则再回到SolidWorks 软件中进行结构设计的修改，进行下一轮的机床有限元分析，直到分析结果满足设计要求为止。采用CAD/CAE 技术进行机床设计，避免了传统产品研发中经常出现的设计→试制→修改→再设计→再试制→再修改的设计过程，确保产品一次开发成功，有利于降低电火花加工机床的开发成本，提高产品设计效率。

电火花加工机床有限元建模过程主要包括机床模型简化、模型导入、单元类型选择和材料属性定义、网格划分等阶段（图4）。

图4 机床有限元建模过程

在进行有限元分析时，为简化计算过程，进行如下假设：①认为电火花加工机床是各向同性材料，密度分布均匀，在工作过程中始终处于弹性阶段；②假定位移和变形都是微小的。同时，在进行机床几何建模时，要求在尽量保持机床原始结构的基础上，对机床进行适当的简化。机床表面上有些细小特征对结构整体的性能影响很小，建立有限元几何模型时就可忽略小的倒角、圆角和对结构性能影响不大的小尺寸。通过选择合适的元素，建立起能模拟真实情况的有限元几何模型。

当电火花加工机床的三维模型导入到ANSYS Workbench 软件后，软件会自动识别所有接触表面，只需确定接触表面是否为所需的部位，并确定接触类型和接触方式。在分析求解之前，需设定材料属性，包括弹性模量、泊松比和密度。定义完材料属性，需要进行有限元网格划分。网格划分是进行有限元数值模拟分析至关重要的一步，它直接影响着后续数值计算分析结果的精确性。网格划分时，充分利用ANSYS Workbench 对大部件的自动划分功能；网格划分完成后（图5），就建立起了该机床的有限元模型。

机床整机有限元模型建立后，需进行前处理，即施加载荷和约束。在计算静力变形时，不能忽视它本身的重力对机床变形和加工的影响，即需要加载机床自身的重力。施加边界条件和约束，对该机床而言，将床身底部螺栓连接处进行固定约束处理。经过前处理，加载合适、有效的约束和作用力，便可进行求解。机床变形求解完成后，进入ANSYS Workbench 下的Solution 模块，查看机床变形情况。图6 是机床整机变形云图。可看出，机床床身、立柱部分变形较小，滑枕部分发生了明显前倾，Z 轴底座出现了明显变形。滑枕、Z 轴及其底座是电火花加工机床易发生变形的部件，在电火花加工机床结构设计中应作为设计重点。

图6 电火花加工机床变形云图

振动会造成机床零部件的共振或疲劳，从而破坏机床结构，所以在设计机床时，必须考虑振动所带来的危害。模态分析是机床设计的一项重要研究内容，通过模态分析可确定设计结构或机床主要部件的振动特性（固有频率和主振型），它们是承受动载荷结构设计中的重要参数。

依据TRIZ 理论的预先作用原理，预先将滑枕进行模态分析，确定固有频率和振型。滑枕的前六阶固有频率见表1。可看出，滑枕的固有频率高于工作频率（50 Hz 以下），能够满足设计要求。

表1 滑枕前六阶固有频率

图7 是滑枕的前二阶振型图。滑枕的一阶振型表现为滑枕左右偏摆，其前端振型较大；二阶振型表现为滑枕绕轴向扭曲，其后端振型较大。

图7 滑枕振型图

3 机床设计及技术改进

3.1 加工面修正——应用预先反作用原理

机床加工面的精度、刚度及结构形式对机床的加工精度和承载能力有直接影响。加工面精度除了与本身精度有关外，还与基础件变形有关。对于机床结构件的变形，可根据变形曲线的形状及变形大小，利用预先反作用原理，在机床X、Y、Z 向加工面加工时，加上大小相等、方向相反的修正量。加工后的滑板、滑枕和床身见分别见图8～图10，Z 轴底座见图11。经检测，各加工面的加工误差控制在要求的范围内，如平面度控制在0.01 mm 以内。

图8 加工后的滑板照片

图9 加工后的滑枕照片

图10 加工后的床身照片

图11 加工后的Z 轴底座照片

3.2 Z 轴施加配重——应用重量补偿原理

Z 轴作为机床的垂直运动部件，在自身重力的作用下会引起滑枕变形，影响主轴相关部件的精度。如不采取措施平衡Z 轴重力，不仅会影响Z 轴运动的平稳性，还会造成运动部件单面磨损，从而影响机床精度的保持性。本文采用配重对Z 轴重力进行补偿。配重方法一般有液压配重和重物配重，液压配重依靠液压力来平衡运动部件的重量，但由于需要额外的液压设备而加大了机床尺寸，实现难度较大；重物配重结构简单，容易实现。故采用重物配重法对Z 轴重力进行平衡（图12）。通过对Z 轴施加配重，能有效降低运动惯量，避免因Z 轴负载过大而影响机床的运动灵敏度，大幅提升Z 轴的承载能力。

图12 Z 轴施加配重

4 结论

将计算机辅助设计CAD 技术和计算机辅助工程CAE 技术引入到电火花加工机床的结构设计中，利用SolidWorks 软件进行电火花加工机床三维建模，将建好的三维模型导入ANSYS Workbench 软件进行机床变形分析。结合TRIZ 理论进行机床创新设计，将多种创新原理应用到电火花加工机床的结构设计中。结果表明：运用现代设计技术，有助于设计人员及早发现设计中的薄弱环节，不断优化电火花加工机床的结构，从而缩短电火花加工机床新机型的研发周期，减少研发费用，提高电火花加工机床的设计效率和质量。

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