柔性轴加工尺寸误差预测

2015-12-31冯慧娟樊胜秋李世杰

机械工程与自动化 2015年4期

冯慧娟，苗青，樊胜秋，李世杰

（1.河北工业大学工程训练中心，天津 300400；2.天津铁路信号有限责任公司，天津 300000）

0 引言

作为典型难加工零件的柔性轴主要用于承受载荷、支撑传动零部件和传动扭矩，它的应用范围很广，且需求量很大。然而，长久以来，由于大长径比以及低刚度的特性，导致其加工过程中在夹紧力、切削力作用下，很容易产生弯曲变形与振动，以致其生产制造一直处于低效率、高废品率的状态。

对于柔性轴这种具有重要作用的难加工零件，如果在其正式投入生产前就能预测出它在加工过程中可能遇到的问题，则可以据此找出应对方法将这些问题解决，从而缩短产品的生产周期、保证产品质量并降低生产成本［1］。

1 柔性轴尺寸误差的影响因素

车削轴类工件时，引起柔性轴弯曲变形的因素很多，包括其本身的刚性差、工件热源的不均匀分布及材料热伸长作用、径向切削力的作用等，此外，工件在车削过程中高速旋转时，离心力、偏心等也会加剧其弯曲变形。在这些影响因素中，能进行定量计算的只有切削力及切削热的影响，而切削力对工件误差影响较大，本文主要研究柔性轴的尺寸误差与切削力的相互关系。

2 切削力作用下柔性轴的尺寸误差

车削柔性轴尺寸误差的产生原理［2］如图1所示。设d0为柔性轴车削前的尺寸，则车削后柔性轴的实际直径ds为：

其中：dl为柔性轴车削后的理论直径；Δx为切削力作用下径向的退让量；Δy为切削力作用下切向的退让量。

分别研究x、y方向的退让量对柔性轴弯曲变形的影响。如图1（b）所示，柔性轴无弯曲变形的情况下，切削后的直径为dl，而由于x方向的退让量Δx，车削后的直径为ds，则工件的径向误差为：

如图1（c）所示，在y方向的退让量Δy作用下，柔性轴车削后的直径为ds，则工件的切向误差为：

由于Δdx≫Δdy，所以径向为误差敏感方向，切向为误差不敏感方向。

图1 车削柔性轴尺寸误差的产生原理

3 柔性轴车削尺寸误差预测模型

3.1 有限元模型的建立

实际切削过程中，切削力的大小是有所波动的。利用有限元软件Deform对车削加工过程进行仿真分析，得出切削加工过程中切削力的变化情况。刀具与工件均采用三维实体模型。为了节约分析时间，避免资源浪费，根据其结构特点，在不影响分析结果的情况下，工件只选取了靠近刀具的微小部分材料作为研究对象。图2为柔性轴三维切削有限元简化模型，模型中所示分别是刀片以及工件表面截取部分。利用所建立的有限元模型进行仿真，切削参数如表1所示。图3为切削仿真过程中切深抗力的变化情况。刀具逐渐切入工件时，切深抗力逐渐增大，在较短的初始接触范围内，切削力迅速上升，随着加工过程的进行，切深抗力逐渐趋于平稳，但在此过程中会发生波动并伴随有峰值出现，与实际情况较为吻合。

图2 柔性轴三维切削有限元简化模型

表1 切削参数

仿真得到的各切削力平均值如下：主切削力Fz＝370N，进给抗力Fx＝180N，切深抗力Fy＝262.5N，将各切削力作为载荷施加到工件上。

利用ANSYS建立工件的有限元模型。由于径向为误差敏感方向，首先将切削过程简化为工件只在切深抗力Fy作用下的二维切削模型（如图4所示）进行仿真计算。在此基础上，为了进一步接近实际情况，进行了三维切削模型（如图5所示）的仿真分析［3］，最后将这两种仿真结果进行对比分析。

图3 切深抗力的变化情况

图4 二维切削有限元模型

图5 三维切削有限元模型

工件的相关参数如表2所示。车削时工件两端支承，一端为三爪卡盘，另一端为顶尖。切削速度v＝1 000r/min，背吃刀量ap＝0.5mm，进给量f＝0.2mm/r。

表2 工件参数

3.2 二维车削模型的边界条件、加载及求解

约束工件，使其两端完全固定，并且给工件施加瞬态力Fy＝262.5N，方向垂直于工件的轴线。力Fy自右向左作用于柔性轴上，在这个过程中，假设力的大小是恒定不变的，力的作用位置随时间有所变化。距离卡盘一端每隔10mm长度，观察工件在切深抗力的作用下的变形情况，并记录，将这组数据用图形表示，横坐标为距离卡盘端的距离，纵坐标表示变形量，得到图6所示曲线1。

3.3 三维车削模型的边界条件、加载及求解

工件两端面施加全约束，并且给工件施加三维切削力：主切削力Fz＝370N，进给抗力Fx＝180N，切深抗力Fy＝262.5N。施加的力自右向左作用于柔性轴上，在这个过程中，假设力的大小是恒定不变的，力的作用位置随时间有所变化。距离卡盘一端每隔10mm长度，观察并记录工件在切削力作用下的变形值，得到图6所示曲线2。

图6 不同分析方式的柔性轴误差曲线

两种计算方式下柔性轴误差分布趋势是相同的，加工完后柔性轴呈腰鼓形。与二维仿真值相比，三维仿真值较大，这是因为二维仿真分析只计算了径向切削力引起的工件变形。

4 切削实验

切削实验中所用的工件材料及参数、切削条件均与三维有限元仿真相同［4］。首先车削工件毛坯端面见平，钻中心孔，保证全长450mm，然后找正，夹牢工件。粗车外圆至卡盘处，然后精车，以达到指定的长径比。车削加工结束后，采用钟表式千分表进行挠度测量，千分表的初始位置置于卡盘端，移动千分表，每隔30mm测量一次，将测得数据绘得曲线4，如图6中的曲线3所示。

由图6可知：实验方式及有限元仿真方式所得到的柔性轴的误差趋势是相同的，车削完后柔性轴呈中间大、两头小的腰鼓形，与实际情况是吻合的。而在柔性轴的同一位置处，实验所得到的柔性轴的尺寸误差值比有限元仿真方式得到的误差值要大，主要原因如下：仿真过程中的被切削材料是理想状态的，而实际生产中材料存在缺陷，其刚度较理论值小；车削加工过程中会产生大量的切削热，导致工件产生热变形；机床、刀具、夹具等（零部件装配误差）导致的尺寸误差；机械振动引起的尺寸误差等。