大型双进给珩磨头的结构静力学分析

2015-06-12廖秋岩王亚杰

机械制造 2015年2期

□ 廖秋岩 □ 翁捷 □ 王亚杰

1.兰州理工大学机电工程学院兰州 730050

2.兰州理工大学数字制造技术与应用省部共建教育部重点实验室兰州 730050

珩磨作为一种高效率的加工方法,不仅能去除较大的加工余量,而且是提高工件精度和降低表面粗糙度的有效加工方法［1-2］。珩磨头作为珩磨机的刀具，对珩磨机加工质量和被加工工件的精度有着重要的影响。在珩磨加工过程中，精珩加工与粗珩加工方法类似，但精珩加工时对被加工工件的质量有直接影响。本文通过有限元软件ANSYS Workbench［3］对大型双进给珩磨头进行精珩加工时的静力学分析，确定大型双进给珩磨头整体及各部件的刚度变形，从而揭示影响双进给珩磨头刚度的关键因素，并提出结构改进方案，进而保证珩磨头的加工精度［4-6］。

1 珩磨头有限元模型的建立

1.1 几何模型的建立

▲图1 珩磨头几何模型及内部结构

建立珩磨头模型时，在不影响珩磨头应力分布以及变形的前提下，为了减小计算规模，可对结构作适当的简化处理：省略非承载构件，将构件之间很小的圆弧过渡简化为直角过渡，将构件表面上的凸部、孔等进行圆滑处理。本文是在三维软件SolidWorks中建立珩磨头的三维模型，然后把建立好的实体模型导入到有限元分析软件ANSYS Workbench中，建好的几何模型如图1所示。

建立珩磨头有限元模型的关键是选择合适的单元，为了计算准确，用线体和面体建模的方法，本文建立有限元模型时，面体采用四边形单元（Shell181），线体采用梁单元（Beam 188）。

1.2 材料属性

大型双进给珩磨头及部件的材料参数见表1。

1.3 网格划分

网格划分是进行有限元数值模拟分析重要的一步，它直接影响后续数值计算分析结果的精确性。本文在ANSYS Workbench模块中，根据实体模型大小对珩磨头有限元模型进行精确网格划分，划分后的有限元模型如图2所示，共有337 386个节点，150 074个单元。

▲图2 划分网格后的珩磨头有限元模型

表1 珩磨头各部件的材料及材料性能

1.4 约束处理

进行珩磨头模态分析时，模拟结构真实的约束状态，能够得到结构实际约束状态下振动模态，提高了结果的精确性，本文对珩磨头的两个连接孔和顶杆施加固定约束。

2 静力学分析

2.1 珩磨力计算

在设计计算中，根据经验公式对珩磨力进行计算：

式中：f为切削因数，取0.3；θ为加工缸套类零件的网纹角，θ=50°；A 为粗珩油石工作面积，A=32 000 mm2；P为油石工作压强，P=1 MPa。

▲图3 总变形图

由以上公式可以计算出圆周切削力：F圆周=8 701 N，轴向切削力：F轴向=4 057 N。

2.2 粗珩时应力分析

根据实际情况对大型双进给珩磨头进行约束：将珩磨头顶部的两个连接孔及大顶杆固定，加载后进行分析，珩磨头各部分受力变形如图3～图8所示。

3 结果分析

由图3～图8分析可知：大型双进给珩磨头的主要加工误差来自于珩磨头的刚度变形，而珩磨头的刚度总变形主要体现在加工油石的刚度变形上，珩磨头油石的最大变形为0.008 5mm，出现在油石的下端（如图8）；小顶杆的最大变形为0.001 1 mm，出现在小顶杆的下端（如图4）；小锥体的最大变形为0.001 7mm，出现在小锥体的下端（如图5）；导向推杆的最大变形为0.006 7mm，出现在导向推杆的外端（如图6）；油石座的最大变形为0.007 8 mm，出现在油石座的下端（如图7）。由分析可知：①油石的变形最大，其次为油石座和导向推杆，因此考虑可以对油石、油石座及导向推杆的结构进行改进或采用刚度更好的材料；②从实验结果可以观察到，油石座、油石的最大变形均出现在其下端，分析可知，小锥体从上到下受到油石座的均匀作用力，但小锥体的上端有小顶杆的支撑，因此越往下小锥体的变形越大，并对油石座和油石的变形有一定影响。