基于提高大型精密零件刮削精度的有限元法應(yīng)用*

王海濤 李初曄 丁立欣

（北京航空制造工程研究所，北京 100024）

刮削在精密制造領(lǐng)域應(yīng)用比較普遍，是鉗工重要的基本操作技能之一，屬于微量切削、精密和光整加工方法。雖然刮削勞動(dòng)強(qiáng)度較大，但受零部件結(jié)構(gòu)、配合精度和加工設(shè)備等因素的限制，刮削具有磨削等加工方式所不能替代的作用和意義。特別是針對(duì)機(jī)床設(shè)備的一些主要的加工和配合面，例如導(dǎo)軌面、滑行面的精密加工，這類關(guān)鍵的工序，刮削質(zhì)量的高低，將直接影響機(jī)床設(shè)備的裝配精度、加工精度和運(yùn)行穩(wěn)定性。

1 問題的提出

某大型立式加工設(shè)備，整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大，關(guān)鍵件的強(qiáng)度和精度要求高。其中的大型承載零件立柱（如圖1所示）是該設(shè)備的重要組件，其外型尺寸為:3 325 mm×3 050 mm ×7 420 mm，質(zhì)量約46 000 kg，上面有豎直方向的8個(gè)靜壓導(dǎo)軌面。其表面粗糙度、尺寸精度以及形位公差要求較高。

導(dǎo)軌面主要指標(biāo)如下:

（1）平面度:0．01 mm/1 000 mm，≤0.02 mm/全長(zhǎng);

（2）對(duì)底面的垂直度:≤0.025 mm/1 000 mm;

（3）對(duì)應(yīng)面的平行度:0．01 mm/1 000 mm，≤0.03 mm/全長(zhǎng)。

只有控制在以上精度范圍內(nèi)，才能保證與之配合滑動(dòng)的部件的運(yùn)行精度和穩(wěn)定性，從而確保機(jī)床設(shè)備最終加工出合格的產(chǎn)品。由于受立柱自身結(jié)構(gòu)和加工設(shè)備等條件的限制，只能通過刮削加工的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2 刮削方式的確定

以往的生產(chǎn)實(shí)踐證明，工件的支承位置和支承方式嚴(yán)重影響刮削精度。一般中小型工件的刮削，由于體積質(zhì)量適中，刮削時(shí)的支承方式較容易確定和操作，相應(yīng)的精度也好控制和保證;而對(duì)于外形不規(guī)則，尺寸、體積和質(zhì)量大的大型工件，如果選擇的支承方式和支承位置不正確，工件本身所引起的變形就無(wú)規(guī)律可循。這種“盲目”狀態(tài)下的刮削加工，除浪費(fèi)人力、物力和財(cái)力外，還不能保證刮削件的精度和質(zhì)量;另外，由此造成生產(chǎn)周期的拖延，其損失難以用金錢衡量。

3 有限元分析計(jì)算

在進(jìn)行有限元分析之前，通過研究論證刮削方案實(shí)施的有效性，確定了立柱刮削的放置狀態(tài)（如圖2所示）。以刮削后導(dǎo)軌面，采用支承前導(dǎo)軌面的方式為例，計(jì)算分析前導(dǎo)軌面的變形，在刮削時(shí)留出預(yù)留量。刮削前導(dǎo)軌面時(shí)，實(shí)施方法相同。

該支承狀態(tài)有如下優(yōu)點(diǎn):

（1）支承可靠，便于刮削工作的進(jìn)行;

（2）對(duì)應(yīng)的研具便于生產(chǎn)制造;

（3）易于測(cè)量;

（4）能最大限度地保證刮削精度。

不足之處是支承距離跨度大，變形量難以估算。

針對(duì)支承變形量的估算問題，經(jīng)過討論，決定以ANSYS軟件為工具，對(duì)刮削時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行模擬。通過有限元分析的方法，計(jì)算出立柱的變形量。

把立柱刮削時(shí)支承位置分三種情況進(jìn)行分析計(jì)算，從中選出最佳者。支承位置一和支承位置二的方式主要是考慮盡量縮短兩支承點(diǎn)之間的距離，以期減小支承點(diǎn)間的變形量;而支承位置三這種方式，是為了與前兩種在變形量大小和變形狀況上做一個(gè)全面的比較。分析計(jì)算時(shí)所施加載荷為立柱的自重，其余因素影響很小，可忽略不計(jì)。

（1）支承位置一（圖3a）

左支承位于立柱導(dǎo)軌面左端處，右支承距離導(dǎo)軌面右端800 mm。

對(duì)該支承狀態(tài)進(jìn)行有限元分析計(jì)算，結(jié)果如圖3b所示。立柱導(dǎo)軌面最大變形量為0.02 mm，該處位于導(dǎo)軌面最右端;兩支承點(diǎn)之間最大變形量為0.01 mm，由此可知，右端下垂較嚴(yán)重。這樣在整個(gè)導(dǎo)軌面方向上出現(xiàn)兩個(gè)下凹（變形）處，即使采取相應(yīng)措施，也難以控制刮削的預(yù)留量。

（2）支承位置二（圖4a）

左支承距離導(dǎo)軌面左端800 mm，右支承位于立柱導(dǎo)軌面右端處。

該支承狀態(tài)與上一種相類似，通過進(jìn)行有限元分析計(jì)算，結(jié)果如圖4b所示。立柱導(dǎo)軌面最大變形量為0.024 mm，該處位于導(dǎo)軌面最左端;兩支承點(diǎn)之間最大變形量為0.008 mm，由此可知，左端下垂較嚴(yán)重。這樣在整個(gè)導(dǎo)軌面方向上也同樣出現(xiàn)兩個(gè)下凹（變形）處，即便采取相應(yīng)措施，照樣不好控制刮削的預(yù)留量。

（3）支承位置三（如圖5a）

左、右支承分別位于立柱導(dǎo)軌面左、右端處。

該支承狀態(tài)使得立柱重心接近兩支承點(diǎn)中間位置，支承穩(wěn)定性較好。通過進(jìn)行有限元分析計(jì)算，結(jié)果如圖5b所示，立柱左、右兩端沒發(fā)生下垂現(xiàn)象;立柱的整體最大變形量約為0.012 mm，位于立柱導(dǎo)軌面的中間位置。即在導(dǎo)軌面整個(gè)方向上，只有一處下凹（變形）點(diǎn)。這樣，根據(jù)變形量的大小，在進(jìn)行刮削時(shí)，可在導(dǎo)軌面長(zhǎng)度方向上預(yù)留出刮削量，從而在刮削工作完成后，能夠保證刮削的形狀和位置精度。

通過對(duì)以上分析結(jié)果的比較，在選擇刮削支承位置方式時(shí)，可以排除前兩種而選擇第三種，因?yàn)榍皟煞N無(wú)形中都增加了一個(gè)較大的下垂變形量;另外，兩支承點(diǎn)之間的最大變形量相差無(wú)幾，最關(guān)鍵的是第三種支承便于刮削量的預(yù)留。

立柱其他各導(dǎo)軌面的變形分析過程與上面的前導(dǎo)軌面的分析相似。在選擇支承點(diǎn)時(shí)，可以綜合考慮之前的支承位置，以節(jié)省時(shí)間，提高有限元分析的效率。

4 刮削實(shí)施和驗(yàn)證

經(jīng)過刮削前的分析和其他準(zhǔn)備工作，接下來(lái)對(duì)立柱各導(dǎo)軌面、底面以及頂部油缸安裝面進(jìn)行刮削加工。

仍以刮削后導(dǎo)軌面為例，根據(jù)支承前導(dǎo)軌面時(shí)兩支承點(diǎn)之間發(fā)生的變形量，其相對(duì)應(yīng)的后導(dǎo)軌面各位置留出相應(yīng)的刮削余量。這樣在刮削完成后，立柱恢復(fù)豎直狀態(tài)后，前、后導(dǎo)軌面之間的距離尺寸、兩面的平行度以及導(dǎo)軌面的平面度都能夠得到保證，將各項(xiàng)精度指標(biāo)控制在允許的范圍之內(nèi)。

另外，在進(jìn)行刮削時(shí)，不能忽略環(huán)境溫度的影響。刮削工作和其間的測(cè)量盡量在恒溫廠房中實(shí)施。

以上刮削工作結(jié)束后，對(duì)立柱所有刮削面進(jìn)行了測(cè)量和精度檢驗(yàn)，如表1所示。從檢測(cè)結(jié)果看，刮削加工后的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合圖紙的設(shè)計(jì)要求。

表1 立柱導(dǎo)軌面精度檢驗(yàn)數(shù)值表 mm

實(shí)踐證明:該刮削方案是切實(shí)可行的。特別是借助有限元軟件對(duì)立柱變形的分析，較為準(zhǔn)確地把握了變形量，避免了刮削加工中預(yù)留刮削量的不確定性和盲目性，大大降低了人力、物力及時(shí)間的浪費(fèi)，起到了事半功倍的作用。

5 結(jié)語(yǔ)

通過這次對(duì)大型件立柱的刮削加工，結(jié)合整個(gè)生產(chǎn)流程，得到以下幾點(diǎn)啟示:

（1）大型件的刮削加工，需要通過認(rèn)真分析，理順?biāo)悸?，才能制定出行之有效的?shí)施方案;

（2）利用有限元分析軟件配合刮削工作，可大大提高加工的可靠性和效率，既節(jié)約了繁瑣計(jì)算和加工時(shí)間，又可降低制造成本，可謂一舉多得;

（3）在刮削過程中，必須采取正確的操作和測(cè)量方法，盡量消除或降低不利因素的影響，例如環(huán)境溫度的變化等。

（4）該刮削的方式和方法，可為其他大型精密工件的加工和制造提供思路和借鑒。

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