外圆磨床调锥尾架设计及有限元分析

2014-11-27郭静静

精密制造与自动化 2014年4期

关键词：磨床顶尖套筒

郭静静

外圆磨床调锥尾架设计及有限元分析

郭静静

（上海机床厂有限公司上海 200093）

通过分析目前生产中外圆磨床尾架对工件精度的影响，设计了调锥尾架结构，并介绍了其调锥原理，通过对调锥尾架进行受力分析，利用ANSYS Workbench对其进行静力结构分析和模态分析，得出了调锥尾架结构能满足要求的结论。

调锥尾架 ANSYS Workbench 静态分析模态分析

磨床在磨削工件时，尾架对工件起到支承和定心的作用。尾架结构设计不合理，会导致尾架刚度不足、振动大等问题，最终影响工件的加工精度。因此，对外圆磨床尾架结构的研究就显得尤为重要。在磨削高精度外圆柱面时，要求头尾架顶尖中心线与砂轮横向进给方向平行，由于磨削时头架与尾架的热变形不一致，从而使两顶尖中心线与砂轮横向进给方向的平行度发生变化。而且，尾架在使用过程中，尾架体壳基部与导轨存在摩擦，长此以往，接触面的磨损也会使两顶尖中心的偏移，导致加工的工件圆柱度达不到要求。因此，磨床拥有一个具有调锥功能的尾架就很有必要。

1 调锥尾架设计

1.1 调锥尾架结构

调锥尾架的结构如图1所示，其特点是：在体壳内装有衬套，衬套内装着尾架套筒，顶尖装在套筒内，衬套和套筒之间有两个密植轴承，通过密植轴承小钢球的滚动减小了摩擦力。前、后密植轴承的位置由体壳侧面的一个挡销（图1为正视图，看不见此挡销）限制。

图1 调锥尾架剖视图

在后盖板外部设有油缸，油缸的柱塞杆与连接套通过螺纹连接紧固在一起；连接套与套筒通过螺栓及侧面的键连接在一起。连接套和外套之间有上、下两个精密交叉滚柱直线滑动导轨副，可以减小连接套轴向运动时的摩擦，同时能够将外套的转动传给连接套和尾架套筒，从而实现其调锥功能。在磨削工件时，打开油缸开关，此时，油缸中的柱塞杆伸出，将套筒和顶尖顶出，支撑并定心工件，配合头架实现磨削。

1.2 调锥尾架调锥原理

调锥尾架实现调锥的原理如图2所示。当旋转竖直小轴1时，由于螺纹副的作用，通过水平小轴2绕O点旋转，从而带动尾架套筒转动，由于顶尖锥孔的中心线与尾架套筒外圆柱面的中心线存在5.2 mm的偏心距，因此，在尾架套筒旋转的过程中，顶尖中心线会有一个水平方向的偏移量，从而实现调锥的功能。

图2 尾架调锥功能原理简图

从图中可看出，若将各零部件视为刚体，并且接触无间隙，则各零部件（除套筒外）是完全定义的，即所有自由度均被限定。但是由于间隙的存在，以及各零部件受力时会有微量的变形，故连接座能够绕O点转动一个微小的角度。

式（1）中，为螺纹副的螺距，=2 mm。

式（2）中，为尾架套筒外圆柱面中心线与小轴2中心线的距离，=130.5mm 。

因为，/足够小，故式（2）可近似为

联立式（1）、（3）、（4），代入相关参数值，可解得

尾架的调锥装置将小轴1一周的旋转量等分为80刻度值，正、反最大各旋转40刻度值，每一等分刻度的旋转弧度为

因此，调锥的精度为

2 调锥尾架受力分析

2.1 磨削力的确定

图3 工件所受磨削力分解示意图

由参考文献[2]查得切向力的估算公式为

将相应数据代入式（6）可得切向力

根据文献[2]，工程上法向力n与切向力t之比n/t=1.5～4，在此取为2.4，求得法向力

2.2 工件重力及顶紧力的确定

该调锥尾架适用的外圆磨床能加工的工件最大直径320 mm，最大长度为750 mm，最大质量150 kg。磨床的工况为两顶尖共同顶持工件磨削，因此，作用在尾架顶尖的重力为工件总重力的1/2，即

150×9.8×1/2＝735 N

对于两顶尖支承工件的机床系统，根据实际经验可知，其对工件的顶紧力一般为工件自重的70%～80%。考虑尾架在极限工况下仍必须具备良好的性能，分析时取顶紧力为工件自重的80%。所以，对于该磨床所能加工的工件最大自重，其顶紧力为：

150×9.8×80％N=1176 N

3 调锥尾架静力结构分析

3.1 模型分析时的假设

由于尾架结构复杂，受多方面因素的影响，进行有限元分析时，为简化计算，进行如下假设：

（1）认定尾架是由相同材料组成，密度均匀分布，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[3]。

3.2 材料物理参数

金属材料的物理性能参数如比热容、导热系数、弹性模量、屈服应力等一般都随温度的变化而变化，当温度变化范围不大时，可采用物理性能参数的平均值来进行计算。因此，可选用室温下材料的物理参数值进行模型的静态分析和模态分析。

分析的磨床尾架所使用的材料及其常温下的物理性能参数，如表1所示。

表1 尾架所用零件材料常温下的物理性能参数

3.3 静力结构分析

调锥尾架是由许多零件装配而成的大型复杂结构，主要由顶尖、体壳、后体壳及安装在体壳和后体壳的众多零部件组成，且存在多处零件间的接触连接。若不对模型进行简化处理，将很大程度上影响计算速度，甚至会引起计算结果不收敛等严重错误。因此，在将模型导入有限元分析软件之前，首先对尾架的CAD模型进行简化，如去除不直接承受力的零件、忽略零件上小的螺栓孔、销孔、凸台、倒角以及退刀槽等对分析结果影响不大的局部细节结构。

将尾架装配体所分的各部分的三维模型分别导入到ANSYS Workbench中，添加各零件的材料属性，定义、修改接触对。在划分网格时，将定义了不同接触类型的零件区分对待，定义了摩擦接触（Frictional）的两零件尽量采用Sweep或MultiZone的网格划分方法，并适当地将网格划分的比较小；定义了绑定接触（Bonded）及不分离接触（No Separation）的零件，则可由计算机内部程序自动控制划分方法。划分之后的有限元模型，如图4所示。

（a）前体壳部分

（b）后体壳部分

（c）油缸部分

添加相应的载荷及约束；设置求解项并求解，结果如图5、图6及图7所示。

（a）变形云图

（b）应变云图

（c）应力云图

（a）变形云图

（b）应变云图

（c）应力云图

（a）变形云图

（b）应变云图

（c）应力云图

将分析结果汇总整理，如表2所示。

表2 现有尾架静态结构分析结果汇总

由表2可知，该尾架在工作过程中，产生的最大应力不足100 MPa，而各零件所用材料的许用应力均大于100 MPa，故其强度满足要求。

变形也都在许可范围内，所以刚度不成问题。对于比较关心的顶尖，其变形量也不足15μm，是满足要求的。

4 模态分析结果

以静力分析的求解为输入数据，这样我们省去了修改材料属性，定义接触类型、网格划分和添加载荷及约束，直接设置求解项并求解，在工程应用中，通常关注前4阶低阶的固有频率已经足够，结果如图8（前体壳部分）、图9（后体壳部分）、图10（油缸部分）所示。

一阶模态

二阶模态

三阶模态

四阶模态

图8 前体壳部分模态分析结果

一阶模态

二阶模态

三阶模态图

四阶模态

图9 后体壳部分模态分析结果

一阶模态

二阶模态

三阶模态

四阶模态

图10 油缸部分模态分析结果

将分析结果汇总，如表3所示。

表3 现有尾架模态分析结果汇总（Hz）

该尾架各部分的各阶固有频率均在400 Hz以上，可以得出尾架整体，其各阶固有频率至少也在400 Hz以上。而该磨床砂轮驱动电机额定转速为1 400 r/min，砂轮转速1 520 r/min，头架主轴转速30~300 r/min，故磨床各振源的频率为0.5~5 Hz、23.3 Hz和25.3 Hz，所以不会产生共振。