基于SolidWorks系統(tǒng)的絲錐方尾磨床的設(shè)計(jì)

林朝斌 ， 劉紅

（1.浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，杭州310034；2.臺州學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，臺州318000）

0 引言

絲錐是一種在加工中用來攻螺紋孔的專用刀具，在制造行業(yè)中應(yīng)用十分廣泛。由于攻絲的工況惡劣，在機(jī)加工過程中絲錐易損耗，因此市場對絲錐的需求量很大，為此刀具制造企業(yè)應(yīng)該實(shí)現(xiàn)絲錐加工過程的自動化以提高生產(chǎn)率，即應(yīng)構(gòu)建一條由一系列專用機(jī)床組成的自動生產(chǎn)線來進(jìn)行絲錐的生產(chǎn)加工。絲錐方尾的加工是整個絲錐制造過程中的重要組成部分。加工方尾的工藝原先主要分為沖壓、銑削和磨削三種。隨著制造技術(shù)的進(jìn)步，絲錐的國家標(biāo)準(zhǔn)（GB969-83）參照國際標(biāo)準(zhǔn)對方尾部分的條款進(jìn)行了修訂，更改為：“機(jī)用絲錐的方尾形狀誤差及其對柄部軸線位置誤差應(yīng)包括在尺寸公差帶范圍內(nèi)”［1］。因此，絲錐方尾的加工如果還采用傳統(tǒng)的沖壓和銑削工藝就不能滿足國標(biāo)（GB969-83）的公差要求，如今國內(nèi)外多傾向于采用磨削的加工方法，因此需要設(shè)計(jì)一種磨削絲錐方尾的專用磨床。機(jī)電產(chǎn)品的開發(fā)研制是從設(shè)計(jì)開始的，產(chǎn)品是否具有較好的最終性能是考良好的設(shè)計(jì)質(zhì)量保證的，如何采用合理的設(shè)計(jì)手段提高質(zhì)量是一個非常重要的課題，常決定著產(chǎn)品開發(fā)的成功與否。SolidWorks系統(tǒng)是一套領(lǐng)先的主流三維CAD解決方案，功能強(qiáng)大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新是其三大顯著特點(diǎn)，使用SolidWorks用戶能在比較短的時間內(nèi)完成更多的工作，能夠更快地將高質(zhì)量的產(chǎn)品投放市場［2］。采用SolidWorks系統(tǒng)來進(jìn)行絲錐方尾磨床的設(shè)計(jì)開發(fā)，是一種非常行之有效的設(shè)計(jì)手段。

1 絲錐方尾磨床的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 絲錐方尾磨床的設(shè)計(jì)要求

根據(jù)企業(yè)所生產(chǎn)的絲錐工藝流程的實(shí)際要求，絲錐方尾磨床的設(shè)計(jì)要求如下：1）磨削絲錐的規(guī)格是M6～M16；2）要求所磨削的方尾四方的中心平面對其中心線的對稱度為0.03 mm，邊距公差為0.05 mm；3）方位表面粗糙度大于Ra1.6；4）磨削方式為切入式磨削，一次進(jìn)給、退回完成一面的磨削，速度在0.05～3 m/min范圍內(nèi)可調(diào)。

1.2 絲錐方尾磨床總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，將絲錐方尾磨床的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為床身機(jī)架部件、X方向運(yùn)動部件、Y方向運(yùn)動部件、左頂尖部件、右頂尖部件、磨頭部件、分度部件。結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 絲錐方尾磨床總體結(jié)構(gòu)示意圖

2 絲錐方尾磨床工作原理

待加工的絲錐毛坯通過左右頂尖對頂裝夾保持加工的正確位置，通過Y軸運(yùn)動部件中的手搖螺桿控制徑向切削深度，步進(jìn)電機(jī)1帶動X導(dǎo)軌左右運(yùn)動并帶動工件左右運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給磨削（向左進(jìn)給）和退回（向右）磨削。當(dāng)完成一次進(jìn)給、退回，實(shí)現(xiàn)絲錐柄部方尾的一個平面的磨削后，由步進(jìn)電機(jī)2通過連軸器利用分度機(jī)構(gòu)帶動工件進(jìn)行90°的分度，進(jìn)行第二個平面的磨削。完成4個面的磨削后，X方向運(yùn)動停止，右頂尖便停留在原始位置，人工拆卸工件。

右頂尖部件是絲錐方尾磨床的主要部件，它是實(shí)現(xiàn)絲錐方尾4個平面的自動加工分度運(yùn)動和手工裝拆工件的關(guān)鍵。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下：1）右頂尖設(shè)計(jì)使用反頂尖結(jié)構(gòu)同左頂尖進(jìn)行對頂夾持工件，磨削過程中分度銷組件起到支撐磨削力，保持分度軸平衡的作用；2）分度軸能進(jìn)行徑向定位夾緊工件，設(shè)計(jì)使用轉(zhuǎn)動手搖螺桿，通過移動螺母作用在移動組件上，從而實(shí)現(xiàn)左右移動起到裝卸工件的作用；3）手搖螺桿與分度軸是一個空套結(jié)構(gòu)，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)分度運(yùn)動時分度軸同其他零件不發(fā)生干涉，同時步進(jìn)電機(jī)主軸同分度軸在同一軸線上，通過聯(lián)軸器連接保證回轉(zhuǎn)的同軸度；4）選擇適中分度銷的彈簧，保證轉(zhuǎn)動時不會對分度軸有橫向的作用力，從而不影響加工時的精度。

3 基于SolidWorks的零件設(shè)計(jì)和分析

機(jī)床總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，就可以進(jìn)入零部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，通過SolidWorks系統(tǒng)可以構(gòu)建各個零部件的三維數(shù)字化模型，并進(jìn)行有限元分析和優(yōu)化。磨頭主軸是絲錐方尾磨床中最重要的零件，其力學(xué)性能好壞影響到整臺機(jī)器的性能。首先通過結(jié)構(gòu)計(jì)算，設(shè)計(jì)出主軸的初始尺寸，構(gòu)建出主軸的三維數(shù)字化模型，然后采用SolidWorks Simulation對磨頭主軸進(jìn)行靜態(tài)分析。在分析之前要先對所構(gòu)建的三維數(shù)字化模型進(jìn)行必要、恰當(dāng)?shù)暮喕言饶Ｐ椭械穆菁y特征、倒角特征等次要因素進(jìn)行“抑制”，使其不參與后面的運(yùn)算，這樣做的目的是為了有利于后面網(wǎng)格的劃分。然后對主軸零件的面進(jìn)行必要的劃分，主要是為下面載荷和約束的添加提供正確的面、線、點(diǎn)。再建立靜態(tài)分析算例，給模型賦予相應(yīng)的物理屬性，磨頭主軸采用45鋼，其物理性質(zhì)可由系統(tǒng)所附帶的材料表自動賦值。根據(jù)受力分析，主軸零件所受的力主要有：前端砂輪零件傳遞的切削力載荷，后端帶輪傳遞的轉(zhuǎn)矩載荷，主軸轉(zhuǎn)動的慣性力載荷，主軸和砂輪、帶輪的重力載荷。將軸承約束和相應(yīng)的載荷添加于主軸上。根據(jù)零件模型采用的“網(wǎng)格類型”是“實(shí)體網(wǎng)格”，“網(wǎng)格品質(zhì)”采用“高”，所用“網(wǎng)格器”是“基于曲率的網(wǎng)格”，“雅可比點(diǎn)”是4點(diǎn)，劃分網(wǎng)格后可知“節(jié)點(diǎn)總數(shù)”是79770，“單元總數(shù)”是53736，最大單元大小4.64371 mm，最小單元大小1.54789 mm，最大“高寬比例”是17.206，其中高寬比例<3的占97.5%，高寬比例>10的占0.141%。主軸劃分網(wǎng)格后的有限元模型如圖2所示。

圖2 磨頭主軸的網(wǎng)格劃分

系統(tǒng)根據(jù)上述所給參數(shù)運(yùn)算，得出分析結(jié)果，并以可視化的云圖予以顯示。磨頭主軸的應(yīng)力云圖如圖3所示。由圖可知主軸上最大Von Mises應(yīng)力（即根據(jù)第四強(qiáng)度理論公式計(jì)算出的應(yīng)力）發(fā)生在主軸頭部安裝砂輪處，其值為35.913 N/mm2，小于材料的屈服極限，所以設(shè)計(jì)安全。在主軸發(fā)生旋轉(zhuǎn)時，此處產(chǎn)生的是交變應(yīng)力，應(yīng)該注意疲勞損傷，設(shè)計(jì)時應(yīng)該予以考慮。

圖3 磨頭主軸的應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

利用SolidWorks系統(tǒng)進(jìn)行絲錐方尾磨床的設(shè)計(jì)并進(jìn)行必要的有限元分析，是一種行之有效的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。可以在設(shè)計(jì)初期找出設(shè)計(jì)問題所在，并進(jìn)行有效的修改，無需進(jìn)行大量的物理樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)，這樣大大提高了設(shè)計(jì)效率，減小了設(shè)計(jì)成本，保證了設(shè)計(jì)的成功率,使產(chǎn)品能更快更好地進(jìn)入市場。

［1］ 沈惠群.絲錐方尾仿形輾成磨削初探［J］.工具技術(shù)，1989，24（5）：36-39.

［2］ 李瑞濤，方湄，張文明.虛擬樣機(jī)技術(shù)的概念及應(yīng)用［J］.機(jī)電一體化，2000（5）：18-19.

［3］ 邱宣懷.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.北京：高等教育出版社，2004.